制造工程與技術機加工

本科畢業(yè)設計（論文）外文譯文院（系）：工學院機械系專業(yè)：機械設計制造及其自動化姓名：學號：指導教師評語：署名：年月日外語文獻翻譯摘自:《制造工程與技術（機加工）》（英文版）《ManufacturingEngineeringandTechnology—Machining》機械工業(yè)出版社2023年3月第1版美s.卡爾帕基安(Seropekalpakjian)s.r施密德(StevenR.Schmid)著譯文：20.9可機加工性一種材料的可機加工性通常以四種因素的方式定義：分的表面光潔性和表面完整性。2、刀具的壽命。3、切削力和功率的需求。4、切屑控制。以這種方式，好的可機加工性指的是好的表面光潔性和完整性，長的刀具壽命，低的切削力和功率需求。關于切屑控制，細長的卷曲切屑，假如沒有被切割成小片，以在切屑區(qū)變的混亂，纏在一起的方式可以嚴重的介入剪切工序。由于剪切工序的復雜屬性，所以很難建立定量地釋義材料的可機加工性的關系。在制造廠里，刀具壽命和表面粗糙度通常被認為是可機加工性中最重要的因素。盡管已不再大量的被使用，近乎準確的機加工率在以下的例子中可以被看到。20.9.1鋼的可機加工性由于鋼是最重要的工程材料之一（正如第5章所示），所以他們的可機加工性已經被廣泛地研究過。通過宗教鉛和硫磺，鋼的可機加工性已經大大地提高了。從而得到了所謂的易切削鋼。二次硫化鋼和二次磷化鋼硫在鋼中形成硫化錳夾雜物（第二相粒子），這些夾雜物在第一剪切區(qū)引起應力。其結果是使切屑容易斷開而變小，從而改善了可加工性。這些夾雜物的大小、形狀、分布和集中限度顯著的影響可加工性?；瘜W元素如碲和硒，其化學性質與硫類似，在二次硫化鋼中起夾雜物改性作用。鋼中的磷有兩個重要的影響。它加強鐵素體，增長硬度。越硬的鋼，形成更好的切屑形成和表面光潔性。需要注意的是軟鋼不適合用于有積屑瘤形成和很差的表面光潔性的機器。第二個影響是增長的硬度引起短切屑而不是不斷的細長的切屑的形成，因此提高可加工性。含鉛的鋼鋼中高含量的鉛在硫化錳夾雜物尖端析出。在非二次硫化鋼中，鉛呈細小而分散的顆粒。鉛在鐵、銅、鋁和它們的合金中是不能溶解的。由于它的低抗剪強度。因此，鉛充當固體潤滑劑并且在切削時，被涂在刀具和切屑的接口處。這一特性已經被在機加工鉛鋼時，在切屑的刀具面表面有高濃度的鉛的存在所證實。當溫度足夠高時—例如，在高的切削速度和進刀速度下—鉛在刀具前直接熔化，并且充當液體潤滑劑。除了這個作用，鉛減少第一剪切區(qū)中的剪應力，減小切削力和功率消耗。鉛能用于各種鋼號，例如10XX，11XX，12XX，41XX等等。鉛鋼被第二和第三數碼中的字母L所辨認（例如，10L45）。（需要注意的是在不銹鋼中，字母L的相同用法指的是低碳，提高它們的耐蝕性的條件）。然而，由于鉛是有名的毒素和污染物，因此在鋼的使用中存在著嚴重的環(huán)境隱患（在鋼產品中每年大約有4500噸的鉛消耗）。結果，對于估算鋼中含鉛量的使用存在一個連續(xù)的趨勢。鉍和錫現正作為鋼中的鉛最也許的替代物而被人們所研究。脫氧鈣鋼一個重要的發(fā)展是脫氧鈣鋼，在脫氧鈣鋼中矽酸鈣鹽中的氧化物片的形成。這些片狀，依次減小第二剪切區(qū)中的力量，減少刀具和切屑接口處的摩擦和磨損。溫度也相應地減少。結果，這些鋼產生更小的月牙洼磨損，特別是在高切削速度時更是如此。不銹鋼奧氏體鋼通常很難機加工。振動能成為一個問題，需要有高硬度的機床。然而，鐵素體不銹鋼有很好的可機加工性。馬氏體鋼易磨蝕，易于形成積屑瘤，并且規(guī)定刀具材料有高的熱硬度和耐月牙洼磨損性。經沉淀硬化的不銹鋼強度高、磨蝕性強，因此規(guī)定刀具材料硬而耐磨。鋼中其它元素在可機加工性方面的影響鋼中鋁和矽的存在總是有害的，由于這些元素結合氧會生成氧化鋁和矽酸鹽，而氧化鋁和矽酸鹽硬且具有磨蝕性。這些化合物增長刀具磨損，減少可機加工性。因此生產和使用凈化鋼非常必要。根據它們的構成，碳和錳鋼在鋼的可機加工性方面有不同的影響。低碳素鋼（少于0.15%的碳）通過形成一個積屑瘤能生成很差的表面光潔性。盡管鑄鋼的可機加工性和鍛鋼的大體相同，但鑄鋼具有更大的磨蝕性。刀具和模具鋼很難用于機加工，他們通常再煅燒后再機加工。大多數鋼的可機加工性在冷加工后都有所提高，冷加工能使材料變硬并且減少積屑瘤的形成。其它合金元素，例如鎳、鉻、鉗和釩，能提高鋼的特性，減小可機加工性。硼的影響可以忽視。氣態(tài)元素比如氫和氮在鋼的特性方面能有特別的有害影響。氧已經被證明了在硫化錳夾雜物的縱橫比方面有很強的影響。越高的含氧量，就產生越低的縱橫比和越高的可機加工性。選擇各種元素以改善可加工性，我們應當考慮到這些元素對已加工零件在使用中的性能和強度的不利影響。例如，當溫度升高時，鋁會使鋼變脆（液體—金屬脆化，熱脆化，見1.4.3節(jié)），盡管其在室溫下對力學性能沒有影響。由于硫化鐵的構成，硫能嚴重的減少鋼的熱加工性，除非有足夠的錳來防止這種結構的形成。在室溫下，二次磷化鋼的機械性能依賴于變形的硫化錳夾雜物的定位（各向異性）。二次磷化鋼具有更小的延展性，被單獨生成來提高機加工性。20.9.2其它不同金屬的機加工性盡管越軟的品種易于生成積屑瘤，但鋁通常很容易被機加工，導致了很差的表面光潔性。高的切削速度，高的前角和高的后角都被推薦了。有高含量的矽的鍛鋁合金鑄鋁合金也許具有磨蝕性，它們規(guī)定更硬的刀具材料。尺寸公差控制也許在機加工鋁時會成為一個問題，由于它有膨脹的高導熱系數和相對低的彈性模數。鈹和鑄鐵相同。由于它更具磨蝕性和毒性，盡管它規(guī)定在可控人工環(huán)境下進行機加工。灰鑄鐵普遍地可加工，但也有磨蝕性。鑄造無中的游離碳化物減少它們的可機加工性，引起刀具切屑或裂口。它需要具有強韌性的工具。具有堅硬的刀具材料的球墨鑄鐵和韌性鐵是可加工的。鈷基合金有磨蝕性且高度加工硬化的。它們規(guī)定尖的且具有耐蝕性的刀具材料并且有低的走刀和速度。盡管鑄銅合金很容易機加工，但由于鍛銅的積屑瘤形成因而鍛銅很難機加工。黃銅很容易機加工，特別是有添加的鉛更容易。青銅比黃銅更難機加工。鎂很容易機加工，鎂既有很好的表面光潔性和長期的刀具壽命。然而，由于高的氧化速度和火種的危險（這種元素易燃），因此我們應當特別小心使用它。鉗易拉長且加工硬化，因此它生成很差的表面光潔性。尖的刀具是很必要的。鎳基合金加工硬化，具有磨蝕性，且在高溫下非常堅硬。它的可機加工性和不銹鋼相同。鉭非常的加工硬化，具有可延性且柔軟。它生成很差的表面光潔性且刀具磨損非常大。鈦和它的合金導熱性(的確，是所有金屬中最低的)，因此引起明顯的溫度升高和積屑瘤。它們是難機加工的。鎢易脆，堅硬，且具有磨蝕性，因此盡管它的性能在高溫下能大大提高，但它的機加工性仍很低。鋯有很好的機加工性。然而，由于有爆炸和火種的危險性，它規(guī)定有一個冷卻性質好的切削液。20.9.3各種材料的機加工性石墨具有磨蝕性。它規(guī)定硬的、尖的，具有耐蝕性的刀具。塑性塑料通常有低的導熱性，低的彈性模數和低的軟化溫度。因此，機加工熱塑性塑料規(guī)定有正前角的刀具（以此減少切削力），還規(guī)定有大的后角，小的切削和走刀深的，相對高的速度和工件的對的支承。刀具應當很尖。切削區(qū)的外部冷卻也許很必要，以此來防止切屑變的有黏性且粘在刀具上。有了空氣流，汽霧或水溶性油，通常就能實現冷卻。在機加工時，殘余應力也許能生成并發(fā)展。為了解除這些力，已機加工的部分要在（）的溫度范圍內冷卻一段時間，然而慢慢地無變化地冷卻到室溫。熱固性塑料易脆，并且在切削時對熱梯度很敏感。它的機加工性和熱塑性塑料的相同。由于纖維的存在，加強塑料具有磨蝕性，且很難機加工。纖維的撕裂、拉出和邊界分層是非常嚴重的問題。它們能導致構成要素的承載能力大大下降。并且，這些材料的機加工規(guī)定對加工殘片仔細切除，以此來避免接觸和吸進纖維。隨著納米陶瓷（見8.2.5節(jié)）的發(fā)展和適當的參數解決的選擇，例如塑性切削（見22.4.2節(jié)），陶瓷器的可機加工性已大大地提高了。金屬基復合材料和陶瓷基復合材料很能機加工，它們依賴于單獨的成分的特性，比如說增強纖維或金屬須和基體材料。20.9.4熱輔助加工在室溫下很難機加工的金屬和合金在高溫下能更容易地機加工。在熱輔助加工時（高溫切削），熱源—一個火把，感應線圈，高能束流（例如雷射或電子束），或等離子弧—被集中在切削刀具前的一塊區(qū)域內。好處是：（a）低的切削力。（b）增長的刀具壽命。（c）便宜的切削刀具材料的使用。（d）更高的材料切除率。（e）減少振動。也許很難在工件內加熱和保持一個不變的溫度分布。并且，工件的最初微觀結構也許被高溫影響，且這種影響是相稱有害的。盡管實驗在進行中，以此來機加工陶瓷器如氮化矽，但高溫切削仍大多數應用在高強度金屬和高溫度合金的車削中。小結通常，零件的可機加工性能是根據以下因素來定義的：表面粗糙度，刀具的壽命，切削力和功率的需求以及切屑的控制。材料的可機加工性能不僅取決于起內在特性和微觀結構，并且也依賴于工藝參數的適當選擇與控制。著原文：20.9MACHINABILITYThemachinabilityofamaterialusuallydefinedintermsoffourfactors:Surfacefinishandintegrityofthemachinedpart;Toollifeobtained;Forceandpowerrequirements;Chipcontrol.Thus,goodmachinabilitygoodsurfacefinishandintegrity,longtoollife,andlowforceAndpowerrequirements.Asforchipcontrol,longandthin(stringy)curedchips,ifnotbrokenup,canseverelyinterferewiththecuttingoperationbybecomingentangledinthecuttingzone.Becauseofthecomplexnatureofcuttingoperations,itisdifficulttoestablishrelationshipsthatquantitativelydefinethemachinabilityofamaterial.Inmanufacturingplants,toollifeandsurfaceroughnessaregenerallyconsideredtobethemostimportantfactorsinmachinability.Althoughnotusedmuchanymore,approximatemachinabilityratingsareavailableintheexamplebelow.20.9.1MachinabilityOfSteelsBecausesteelsareamongthemostimportantengineeringmaterials(asnotedinChapter5),theirmachinabilityhasbeenstudiedextensively.Themachinabilityofsteelshasbeenmainlyimprovedbyaddingleadandsulfurtoobtainso-calledfree-machiningsteels.ResulfurizedandRephosphorizedsteels.Sulfurinsteelsformsmanganesesulfideinclusions(second-phaseparticles),whichactasstressraisersintheprimaryshearzone.Asaresult,thechipsproducedbreakupeasilyandaresmall;thisimprovesmachinability.Thesize,shape,distribution,andconcentrationoftheseinclusionssignificantlyinfluencemachinability.Elementssuchastelluriumandselenium,whicharebothchemicallysimilartosulfur,actasinclusionmodifiersinresulfurizedsteels.Phosphorusinsteelshastwomajoreffects.Itstrengthenstheferrite,causingincreasedhardness.Hardersteelsresultinbetterchipformationandsurfacefinish.Notethatsoftsteelscanbedifficulttomachine,withbuilt-upedgeformationandpoorsurfacefinish.Thesecondeffectisthatincreasedhardnesscausestheformationofshortchipsinsteadofcontinuousstringyones,therebyimprovingmachinability.LeadedSteels.Ahighpercentageofleadinsteelssolidifiesatthetipofmanganesesulfideinclusions.Innon-resulfurizedgradesofsteel,leadtakestheformofdispersedfineparticles.Leadisinsolubleiniron,copper,andaluminumandtheiralloys.Becauseofitslowshearstrength,therefore,leadactsasasolidlubricant(Section32.11)andissmearedoverthetool-chipinterfaceduringcutting.Thisbehaviorhasbeenverifiedbythepresenceofhighconcentrationsofleadonthetool-sidefaceofchipswhenmachiningleadedsteels.Whenthetemperatureissufficientlyhigh-forinstance,athighcuttingspeedsandfeeds(Section20.6)—theleadmeltsdirectlyinfrontofthetool,actingasaliquidlubricant.Inadditiontothiseffect,leadlowerstheshearstressintheprimaryshearzone,reducingcuttingforcesandpowerconsumption.Leadcanbeusedineverygradeofsteel,suchas10xx,11xx,12xx,41xx,etc.LeadedsteelsareidentifiedbytheletterLbetweenthesecondandthirdnumerals(forexample,10L45).(Notethatinstainlesssteels,similaruseoftheletterLmeans“l(fā)owcarbon,”aconditionthatimprovestheircorrosionresistance.)However,becauseleadisawell-knowntoxinandapollutant,thereareseriousenvironmentalconcernsaboutitsuseinsteels(estimatedat4500tonsofleadconsumptioneveryyearintheproductionofsteels).Consequently,thereisacontinuingtrendtowardeliminatingtheuseofleadinsteels(lead-freesteels).Bismuthandtinarenowbeinginvestigatedaspossiblesubstitutesforleadinsteels.Calcium-DeoxidizedSteels.Animportantdevelopmentiscalcium-deoxidizedsteels,inwhichoxideflakesofcalciumsilicates(CaSo)areformed.Theseflakes,inturn,reducethestrengthofthesecondaryshearzone,decreasingtool-chipinterfaceandwear.Temperatureiscorrespondinglyreduced.Consequently,thesesteelsproducelesscraterwear,especiallyathighcuttingspeeds.StainlessSteels.Austenitic(300series)steelsaregenerallydifficulttomachine.Chattercanbesproblem,necessitatingmachinetoolswithhighstiffness.However,ferriticstainlesssteels(also300series)havegoodmachinability.Martensitic(400series)steelsareabrasive,tendtoformabuilt-upedge,andrequiretoolmaterialswithhighhothardnessandcrater-wearresistance.Precipitation-hardeningstainlesssteelsarestrongandabrasive,requiringhardandabrasion-resistanttoolmaterials.TheEffectsofOtherElementsinSteelsonMachinability.Thepresenceofaluminumandsiliconinsteelsisalwaysharmfulbecausetheseelementscombinewithoxygentoformaluminumoxideandsilicates,whicharehardandabrasive.Thesecompoundsincreasetoolwearandreducemachinability.Itisessentialtoproduceandusecleansteels.Carbonandmanganesehavevariouseffectsonthemachinabilityofsteels,dependingontheircomposition.Plainlow-carbonsteels(lessthan0.15%C)canproducepoorsurfacefinishbyformingabuilt-upedge.Caststeelsaremoreabrasive,althoughtheirmachinabilityissimilartothatofwroughtsteels.Toolanddiesteelsareverydifficulttomachineandusuallyrequireannealingpriortomachining.Machinabilityofmoststeelsisimprovedbycoldworking,whichhardensthematerialandreducesthetendencyforbuilt-upedgeformation.Otheralloyingelements,suchasnickel,chromium,molybdenum,andvanadium,whichimprovethepropertiesofsteels,generallyreducemachinability.Theeffectofboronisnegligible.Gaseouselementssuchashydrogenandnitrogencanhaveparticularlydetrimentaleffectsonthepropertiesofsteel.Oxygenhasbeenshowntohaveastrongeffectontheaspectratioofthemanganesesulfideinclusions;thehighertheoxygencontent,thelowertheaspectratioandthehigherthemachinability.Inselectingvariouselementstoimprovemachinability,weshouldconsiderthepossibledetrimentaleffectsoftheseelementsonthepropertiesandstrengthofthemachinedpartinservice.Atelevatedtemperatures,forexample,leadcausesembrittlementofsteels(liquid-metalembrittlement,hotshortness;seeSection1.4.3),althoughatroomtemperatureithasnoeffectonmechanicalproperties.Sulfurcanseverelyreducethehotworkabilityofsteels,becauseoftheformationofironsulfide,unlesssufficientmanganeseispresenttopreventsuchformation.Atroomtemperature,themechanicalpropertiesofresulfurizedsteelsdependontheorientationofthedeformedmanganesesulfideinclusions(anisotropy).Rephosphorizedsteelsaresignificantlylessductile,andareproducedsolelytoimprovemachinability.20.9.2MachinabilityofVariousOtherMetalsAluminumisgenerallyveryeasytomachine,althoughthesoftergradestendtoformabuilt-upedge,resultinginpoorsurfacefinish.Highcuttingspeeds,highrakeangles,andhighreliefanglesarerecommended.Wroughtaluminumalloyswithhighsiliconcontentandcastaluminumalloysmaybeabrasive;theyrequirehardertoolmaterials.Dimensionaltolerancecontrolmaybeaprobleminmachiningaluminum,sinceithasahighthermalcoefficientofexpansionandarelativelylowelasticmodulus.Berylliumissimilartocastirons.Becauseitismoreabrasiveandtoxic,though,itrequiresmachininginacontrolledenvironment.Castgrayironsaregenerallymachinablebutare.Freecarbidesincastingsreducetheirmachinabilityandcausetoolchippingorfracture,necessitatingtoolswithhightoughness.Nodularandmalleableironsaremachinablewithhardtoolmaterials.Cobalt-basedalloysareabrasiveandhighlywork-hardening.Theyrequiresharp,abrasion-resistanttoolmaterialsandlowfeedsandspeeds.Wroughtcoppercanbedifficulttomachinebecauseofbuilt-upedgeformation,althoughcastcopperalloysareeasytomachine.Brassesareeasytomachine,especiallywiththeadditionpflead(leadedfree-machiningbrass).Bronzesaremoredifficulttomachinethanbrass.Magnesiumisveryeasytomachine,withgoodsurfacefinishandprolongedtoollife.Howevercareshouldbeexercisedbecauseofitshighrateofoxidationandthedangeroffire(theelementispyrophoric).Molybdenumisductileandwork-hardening,soitcanproducepoorsurfacefinish.Sharptoolsarenecessary.Nickel-basedalloysarework-hardening,abrasive,andstrongathightemperatures.Theirmachinabilityissimilartothatofstainlesssteels.Tantalumisverywork-hardening,ductile,andsoft.Itproducesapoorsurfacefinish;toolwearishigh.Titaniumanditsalloyshavepoorthermalconductivity(indeed,thelowestofallmetals),causingsignificanttemperatureriseandbuilt-upedge;theycanbedifficulttomachine.Tungstenisbrittle,strong,andveryabrasive,soitsmachinabilityislow,althoughitgreatlyimprovesatelevatedtemperatures.Zirconiumhasgoodmachinability.Itrequiresacoolant-typecuttingfluid,however,becauseoftheexplosionandfire.20.9.3MachinabilityofVariousMaterialsGraphiteisabrasive;itrequireshard,abrasion-resistant,sharptools.Thermoplasticsgenerallyhavelowthermalconductivity,lowelasticmodulus,andlowsofteningtemperature.Consequently,machiningthemrequirestoolswithpositiverakeangles(toreducecuttingforces),largereliefangles,smalldepthsofcutandfeed,relativelyhighspeeds,andpropersupportoftheworkpiece.Toolsshouldbesharp.Externalcoolingofthecuttingzonemaybenecessarytokeepthechipsfrombecoming“gummy”andstickingtothetools.Coolingcanusuallybeachievedwithajetofair,vapormist,orwater-solubleoils.Residualstressesmaydevelopduringmachining.Torelievethesestresses,machinedpartscanbeannealedforaperiodoftimeattemperaturesrangingfromto(to),andthencooledslowlyanduniformlytoroomtemperature.Thermosettingplasticsarebrittleandsensitivetothermalgradientsduringcutting.Theirmachinabilityisgenerallysimilartothatofthermoplastics.Becauseofthefiberspresent,reinforcedplasticsareveryabrasiveandaredifficulttomachine.Fibertearing,pulling,andedgedelaminationaresignificantproblems;theycanleadtoseverereductionintheload-carryingcapacityofthecomponent.Furthermore,machiningofthesematerialsrequirescarefulremovalofmachiningde