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机械制造技术. Mechanical Manufacturing Technology （ 切削原理与刀具： Cutting Principle & Cutting Tools ） 第七章 难加工材料与结构的加工技术. 本章内容. 10.1 难加工材料与结构概述*（ 1 学时） 10.1.1 难加工材料 1 ）难加工材料的分类 2 ）难加工材料的应用 10.1.2 难加工结构 10.2 难加工材料的加工技术（ 2 学时） 10.2.1 钛合金加工 10.2.2 高温合金加工 10.2.3 不锈钢加工 10.2.4 高强度钢和超高强度钢的加工
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机械制造技术 Mechanical Manufacturing Technology （切削原理与刀具：CuttingPrinciple & Cutting Tools） 第七章 难加工材料与结构的加工技术
本章内容 • 10.1难加工材料与结构概述*（1学时） • 10.1.1难加工材料 • 1）难加工材料的分类 • 2）难加工材料的应用 • 10.1.2 难加工结构 • 10.2 难加工材料的加工技术（2学时） • 10.2.1 钛合金加工 • 10.2.2 高温合金加工 • 10.2.3 不锈钢加工 • 10.2.4 高强度钢和超高强度钢的加工 • 10.2.5 复合材料加工 • 10.2.6 脆性材料加工 • 10.3 难加工结构的加工技术（1学时） • 10.3.1薄壁件加工 • 10.3.2 叶片及涡轮盘加工 • 10.3.4阵列孔及微孔加工
难加工材料与结构概述 • 1.定义： 难加工材料是指难以进行切削加工的材料，即切削加工性差的材料。切削加工性等级代号5级以上的材料均属于难加工材料。从材料的物理力学性能看，硬度高于250HBS、强度σb>0.98GPa、延伸率δ>30％、冲击值ak >9.8×105J/m2、导热系数k<41.9W/（m℃）的均属难加工材料之列。 • 2.主要内容： • 1）难加工材料 • 1）难加工材料的分类 • 2）难加工材料的应用 • 2） 难加工结构
难加工材料与结构概述－分类 • 1.钛合金 • 2.高温合金 • 3.不锈钢 • 4.高强度钢与超高强度钢 • 5.复合材料 • 6.硬脆性材料
难加工材料与结构概述－分类1.钛合金 • 钛是同素异构体，熔点为1720℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛，在882℃以上呈体心立方晶格结构，称为β钛。利用钛的上述两种结构特点，添加适当的合金元素（如表10.1.1所示），使其相变温度及相分含量改变而得到不同类型的钛合金。室温下，钛合金有3种基体组织，因此分为3类：1）α相钛合金（用TA表示）；2）β相钛合金（用TB表示）；3）α+β相钛合金（用TC表示）。其中最常用的是α钛合金和α+β钛合金，α钛合金切削加工性能最好，αβ钛合金次之，β钛合金最差。
难加工材料与结构概述－分类钛合金－性能 • （1）比强度高 钛合金的密度在4.5×103kg/cm3左右，仅为钢的60％， • （2）热强度高 钛合金热稳定性好、高温强度高。在300～500℃ 下， 其强度约比铝合金高10倍。 • （3）抗蚀性好 钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性优于 不锈钢
难加工材料与结构概述－分类 • （4）低温性能好 钛合金在低温和超低温下能保持力学性能。 • （5）化学活性大 钛的化学活性大，与大气中的O2、N2、H2、CO、CO2、水蒸气、氨气等均产生剧烈的化学反应。 • （6）导热性差 钛的导热系数低，约为Ni的1/4，Fe的1/5，Al的1/14 • （7）弹性模量小 钛的弹性模量为107.8GPa，约为钢的1/2
难加工材料与结构概述－分类2.高温合金 • 1.定义：高温合金又称耐热合金或热强合金，它是多组元的复杂合金，以铁、镍、钴、钛等为基，能在600～1000℃的高温氧化环境及燃气腐蚀条件下工作，而且还可以在一定应力作用下长期工作，具有优良的热强性能、热稳定性能和热疲劳性能。
难加工材料与结构概述－分类 • 2.高温合金分类： 1）按合金基体元素种类来分，可分为铁基、镍基和钴基合金三类，目前使用的铁基合金含镍量高达25％～60％，这类铁基合金有时又称为铁镍基合金； 2）根据合金强化类型不同，高温合金可分为固溶强化型合金和时效沉淀强化型合金，不同强化型的合金有不同的热处理制度； 3）根据合金材料成形方式的不同，高温合金可分为变形合金、铸造合 金和粉末冶金合金三类。 此外，按使用特性，高温合金又可分为高强度合金、高屈服强度合金、抗松弛合金、低膨胀合金、抗热腐蚀合金等。
难加工材料与结构概述－分类3.不锈钢 • 1.定义：不锈钢是指在大气中或在某些腐蚀性介质中具有一定耐腐蚀能力的钢种。 • 2.种类：按其成分可分为铬不锈钢和铬镍不锈钢两大类。按其内部组织结构可分为以下几类： • （1）马氏体不锈钢 含铬量为12％～17％，含碳量为0.1％～0.5。常用牌号有1Cr13、2 Cr13、3 Cr13、4 Cr13等。
难加工材料与结构概述－分类 • （2）铁素体不锈钢 含铬量16％～30％。常用牌号有0Cr13、1Cr14S、1Cr17、1Cr28、 0Cr17Ti、1Cr17Ti、1Cr17Mo2Ti等。 • （3）奥氏体不锈钢 合铬量为12％～25％，含镍量为7％～20％（或高于20％），常用牌号为1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9、1Cr18Ni9等。 • （4）奥氏体一铁素体不锈钢 常用牌号有1Cr18Ni11Si、4AlTi等。 • （5）沉淀硬化型不锈钢 常用牌号有0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cu17Ni7Al等。
难加工材料与结构概述－分类4.高强度钢与超高强度钢难加工材料与结构概述－分类4.高强度钢与超高强度钢 • 1）高强度和超高强度钢为具有一定合金含量的结构钢。它们的原始强度、硬度并不太高，但经过调质处理（一般为淬火和中温回火），可获得较高或很高的强度。通常把调质后σb>1.2GPa、σs>1GPa的钢称为高强度钢；把调质后σb>1.5GPa、σs>1.3GPa的钢称为超高强度钢。它们的硬度在35～50HRC之间。加工这两种钢时，粗加工一般在调质前进行，而精加工、半精加工及部分粗加工则在调质后进行。
难加工材料与结构概述－分类 • 2）高强度钢一般为低合金钢，合金元素的总含量不超过60%，有Cr钢、Cr-Ni钢、Cr-Si钢、Cr-Mn钢、Cr-Mn-Si钢、Cr-Ni-Mo钢、Cr-Mo钢、Si-Mn钢等。超高强度钢视其合金量的不同，可分低合金超高强度钢、中合金超高强度钢和高合金超高强度钢。
难加工材料与结构概述－分类5.复合材料 • 1.定义：复合材料是由两种或两种以上的物理和化学性质不同的物质人工制成的多相组成固体材料，是由增强相和基体相复合而成的，并形成界面相。增强相主要是承载相，基体相主要是连接相，界面相的主要作用是传递载荷，三者的不同组分和不同复合工艺使复合材料具有不同的性能。
难加工材料与结构概述－分类 • 2.性能：复合材料的优越性在于它的性能比其组成材料好得多，1）它可改善或克服组成材料的弱点，充分发挥其优点；2）它可按构件结构和受力要求，给出预定的、分布合理的配套性能，进行材料的最佳设计；3）可获得单一组成材料不具备的性能。 • 3. 种类：按其结构和功能，可把复合材料分为结构复合材料和功能复合材料。前者的研究和应用较多，发展很快。主要有两种，一是以聚合物为基体，其中以树脂（环氧树脂、酚醛树脂）为基体的居多；另一种是以金属或合金（铝及合金、高温合金、钛合金及镍基合金）或陶瓷为基体。
难加工材料与结构概述－分类6.硬脆性材料 • 1.概述：硬脆性材料具有高强度、高硬度、高脆性、耐磨损和腐蚀、隔热、低密度和膨胀系数及化学稳定性好等特点，是一般金属材料无法比拟的。硬脆性材料由于这些独特性能而广泛应用光学、计算机、汽车、航空航天、化工、纺织、冶金、矿山、机械、能源和军事等领域。
难加工材料与结构概述－分类 • 2.分类： 1）硬脆性材料根据来源可分为自然和人工硬脆性材料； 2）根据是否为金属可分为金属硬脆性材料和非金属硬脆性材料； 3）根据能否导电可分为导电和非导电硬脆性材料； 4）根据材料微观结构可分为晶体和非晶体硬脆性材料；
难加工材料与结构概述－分类 • 3.代表性材料： 陶瓷和石材是其代表性材料。陶瓷是以粘土、长石和石英等天然原料，经粉碎—成形—烧结而成的烧结体。其主要成分是硅酸盐。石材包括天然大理石、花岗石及人工合成的大理石、水磨石等。随着科学技术的不断发展，硬脆性材料如各种光学玻璃、单晶硅、微晶玻璃及陶瓷等在航空航天及军用设备中应用的越来越广泛，而且对零件表面质量要求极高。然而，硬脆性材料具有低塑性、易脆性破坏、微裂纹以及引起工件表面层组织易破坏等缺点，使得硬脆性材料的加工十分困难。
难加工材料与结构概述－应用 • 随着航空航天工业、核工业、兵器工业、化学工业、电子工业及现代机械工业的发展，对产品零部件材料的性能提出了各种各样的新的和特殊的要求。有的要在高温、高压力状态下工作，有的要耐腐蚀、耐磨损，有的要能绝缘，有的则需有高导电率。因此，难加工材料在这些工业中具有广泛的应用。 • （1）钛合金具有密度小、强度高、能耐各种酸、碱、海水、大气等介质的腐蚀等一系列优良的力学、物理性能，因此在航空、航天、核能、船舶、化工、冶金、医疗器械等工业中得到了越来越广泛的应用。
难加工材料与结构概述－应用1.钛合金 记忆钛合金镜架 钛合金刀具
难加工材料与结构概述－应用2.高温合金 精密合金高温合金不锈钢棒 低膨胀、恒弹性、高弹性高温合金
难加工材料与结构概述－应用3.不锈钢 氙气驾驶辅助灯 不锈钢阀门
难加工材料与结构概述－应用4.高强度钢 六缸汽车发动机 汽车进气装置
难加工材料与结构概述－应用5.复合材料 碳纳米管－氧化铝纳米复相陶瓷 热压氮化硼及其复合材料
难加工材料与结构概述－应用6.硬脆性材料 陶瓷刀具 氧化铝陶瓷基片
难加工材料与结构概述－难加工结构 • 所谓难加工结构是指在常规机床上加工时精度难以保证或必须采用多轴联动才能加工出的结构，如薄壁、深（长）径比大的结构、复杂型面、微小微细结构及其它用常规方法难以加工的孔、槽等结构。 • 难加工结构一般可分为外型面难加工结构和内型面难加工结构。 • 外型面难加工结构件主要有：薄壁件、叶片、涡轮盘、微小微细零件外型面及其它特殊复杂的型面。 • 内型面难加工结构主要有：蜂窝结构、阵列孔、有特殊要求的小孔、窄缝及其它特殊复杂的形腔结构。
难加工材料的加工技术 • 1. 钛合金加工 • 2. 高温合金加工 • 3. 不锈钢加工 • 4. 高强度钢和超高强度钢的加工 • 5. 复合材料加工 • 6. 脆性材料加工
难加工材料的加工技术1. 钛合金加工 • 钛合金切屑形成过程大致可分为三个阶段，1）因受到前刀面的挤压，被切材料会产生弹性变形，在切屑前上方有时也可能出现微小的破裂面。2）进一步受到前刀面的挤压，于是在材料上方隆起一块材料。3）这块隆起的材料在与切削速度呈φ角度很窄的区域产生应力集中剪切变形。局部或全部断裂，形成节状切屑流出。图10.2.1为钛合金切屑形成阶段模型。
难加工材料的加工技术1. 钛合金加工－方法 • 钛合金的车削 • 钛合金的铣削 • 钛合金的磨削 • 钛合金的高速切削 • 钛合金的特种加工
难加工材料的加工技术2.高温合金加工 1.简介 对于镍合金及钴合金等高温合金来说，耐高温的特性直接提高了加工难度。在加工时的大切削力和高温共同作用下，刀具产生碎片或变形，进而断裂。此外，此类合金会迅速产生加工硬化现象。工件在加工时产生的硬化表面会导致刀具切削刃在切深处产生缺口，并使工件产生不良应力，破坏加工零件的几何精度。由于高温合金的特殊性能使得它加工起来比较困难。
难加工材料的加工技术 2. 加工性能 （1）切削加工性差 （2）切削变形大 塑性很大，有的延伸率δ≥40％，其切削变形系数约为45钢的1.5倍。 （3）加工硬化倾向大 切削试验表明，vc越高，f越小，加工硬化越小。 （4）切削力大 切削高温合金时，切削力的各项分力均大于45钢，极易引起振动。 （5）切削温度高 切削高温合金时，由于材料本身的强度高、塑性变形大、切削力大、消耗功率多、产生的热量多，而它们的导热系数又较小，所以切削温度比切削45钢和不锈钢都高得多。 （6）刀具易磨损 切削高温合金时，刀具磨损严重 （7）表面质量和精度不易保证
难加工材料的加工技术2.高温合金加工 • 3.改善高温合金切削加工性的措施 • （1）尽量在硬化期前加工合金 • （2）使用锋利的锐角切刃的刀具 • （3）使用强度高的几何外形刀具 • （4）采取提高刚度措施的刀具 • （5）防止工件偏移 • （6）在钻削加工中，采用较大的导程角 • （7）当走刀次数较大时，改变切削深度
难加工材料的加工技术2.高温合金加工 • 4. 高温合金加工刀具 1.无涂层硬质合金刀具 2.涂层硬质合金刀具 3.陶瓷刀具 4.立方氮化硼（CBN）刀具
难加工材料的加工技术2.高温合金加工 • 5.高温合金加工刀具几何参数的选择 1.前角0 2.后角0 3.主偏角r的选择 4.刃倾角s的选择
难加工材料的加工技术3.不锈钢加工 1.不锈钢的相对加工性
难加工材料的加工技术3.不锈钢加工 2.不锈钢的机械加工 1）不锈钢的车削加工 2）不锈钢的铣削加工 3）钻削加工 4）铰削加工 5）攻螺纹 6）磨削加工
难加工材料的加工技术4.高强度钢和超高强度钢的加工难加工材料的加工技术4.高强度钢和超高强度钢的加工 1.高强度钢和超高强度钢的切削加工特点： 高强度钢和超高强度钢切削加工难度大，主要表现在切削力大、切削温度高、刀具磨损快、刀具耐用度低、生产率低和断屑困难。由于它们的硬度高、强度高，塑性相对较低，故与塑性高、强度低的工件材料相比，已加工表面质量一般不成问题。 主要切削特点： 1）切削力大 2）切削温度高 3）刀具易磨损和刀具耐用度低 4）断屑性能
难加工材料的加工技术4.高强度钢和超高强度钢的加工难加工材料的加工技术4.高强度钢和超高强度钢的加工 2.改善高强度和超高强度钢切削加工性的措施 对高强度钢、超高强度钢进行高效和保证质量的切削加工，必须采取有效的措施，应采用先进、适用的刀具材料，应选用合理的刀具几何参数和合理选择切削用量等措施。 主要措施： 1.采用先进、适用的刀具材料 2.选用合理的刀具几何参数 3.选用合理的切削用量
-10～-15˚ A B 5～30° A B 1～1.5 1˚30～2˚ A-A -5～-15° 6～15˚ 6～15˚ 1～2 0.05 0.1～0.3 11111 难加工材料的加工技术4.高强度钢和超高强度钢的加工 3.高强度和超高强度钢铰削加工 1. 刀具材料的选择 2.切削用量的选择 硬质合金铰刀
难加工材料的加工技术4.高强度钢和超高强度钢的加工难加工材料的加工技术4.高强度钢和超高强度钢的加工 硬质合金铰刀的切削用量
难加工材料的加工技术4.高强度钢和超高强度钢的加工难加工材料的加工技术4.高强度钢和超高强度钢的加工 4.高强度和超高强度钢钻削加工 • 1.钻头的选择 • 钻削高强度钢时，可选用高性能高速钢麻花钻或硬质合金钻头。钻削超高强度钢时，一般采用硬质合金钻头。高速钢麻花钻，可选用群钻或修磨成三尖刃形的钻头。为了提高钻头的刚度，应适当增加钻心厚度，减小悬伸量，螺旋角也应小一些，一般为17～30°。选用硬质合金钻头时，可加大顶角，以改善排屑。
难加工材料的加工技术 • 2.切削用量的选择 • 钻削高强度和超高强度钢时，比钻削一般钢材的切削速度低50%左右。选用高速钢钻头钻孔时，一般取vc=10～15m/min，当工件材料的硬度HRC大于45时，切削速度更低。进给量为f = 0.03～0.3mm/r（钻头直径小时取小值）。采用硬质合金钻头时，可选较高的切削速度，但不能太高，必须考虑工件材料的硬度对钻头耐用度的影响。当工件材料的硬度HRC大于50时，钻头的速度应小于30m/min，进给量f = 0.03～0.3mm/r。
难加工材料的加工技术4.高强度钢和超高强度钢的加工难加工材料的加工技术4.高强度钢和超高强度钢的加工 5.高强度和超高强度钢铣削加工 • 1.刀具及其参数的选择 • 铣削时应选强度高、耐冲击和耐热性好的刀具材料，如高性能高速钢和硬质合金，也可以选择热压陶瓷刀具。选择刀具几何参数时，要充分考虑这种钢的切削特点，应减小主偏角，增大刀尖圆弧半径，切深前角和进给前角应小于零（高速钢铣刀除外）。硬质合金和陶瓷刀具的刃口应倒棱，以增加刃口的强度。
难加工材料的加工技术 • 2.切削用量的选择 • 高强度钢和超高强度钢的品种很多，其强度和硬度也有很大的差异。铣削时应根据不同加工对象和加工条件，合理选择切削用量。在选择切削速度时，在工件材料的强度和硬度较高的情况下，应适当降低切削速度，减小刀具每齿进给量，按工件材料的强度选择铣削速度，按工件材料的硬度选择铣削用量。
难加工材料的加工技术5 复合材料加工 1.聚合物基复合材料的加工 聚合物基复合材料包括颗粒增强和纤维增强两大类，其中颗粒增强类复合材料易在材料内部产生较大的应力集中，目前其制备技术仍处于研究阶段，应用较少。因此，以下着重讨论FRP的加工。 2.FRP的切削加工特点 • （1）切削温度高 • （2）刀具磨损严重、耐用度低 • （3）产生沟状磨损 • （4）产生残余应力 • （5）要控制切削温度
难加工材料的加工技术5 复合材料加工 3.FRP的孔加工和切割加工 • A.孔加工 • 在纤维复合材料构件的连接中，机械连接占据着重要的地位。因此，当复合材料构件装配时，需加工出成千上万个紧固件孔，紧固件孔不仅数量多、质量要求高，而且难度大，是复合材料加工中最难的加工工序之一。由于复合材料层合板的主要特点之一是层间剪切强度低，这使得钻孔中轴向力容易产生层间分层，如不加以防范，就会导致昂贵的复合材料构件的报废。复合材料制孔的另一个主要问题是碳纤维材料质点的硬度高，相当于高速钢的硬度，因此对刀具的磨损十分严重，刀具耐用度很低。
难加工材料的加工技术 • 我国现有材料、工艺条件下的制孔质量标准如下：1）表面层没有分层，孔入口处不应有分层，孔边缘毛刺应清除；2）沉头窝与孔的同轴度不大于0.08mm；3）孔壁损伤允许范围深0.25mm，宽0.33mm，长度不超过孔或沉头窝圆周长的25%；4）孔出口边缘与孔夹层边缘毛刺必须清除；5）孔出口边损伤有一定允许范围。
难加工材料的加工技术5 复合材料加工 3.FRP的孔加工和切割加工 • B.切割加工 • FRP零部件生产中切断也是主要加工工序。常用的切割方式有机械切割、高压水切割、超声波切割和激光切割等。机械切割工具包括砂轮片及各种锯等，其刀具转速和进刀量要根据板材厚度和切割方法来确定。高压水切割的特点是切口质量高、结构完整性好、速度快。激光切割的特点是切缝小、速度快、能节省原材料和可以加工形状复杂的工件
难加工材料的加工技术5 复合材料加工 4.金属基复合材料的加工方法 金属基复合材料（Metal-matrix composite，简称MMC）可分为颗粒增强复合材料、长纤维增强复合材料和短纤维（或晶须）增强复合材料。 • 1.切削加工特点 • 2.MMC的孔加工与切割加工 A.孔加工 B.切割加工
难加工材料的加工技术5 复合材料加工 切削加工特点： 金属基长纤维增强复合材料的切削加工有与FRP相似的特点。金属基短纤维增强复合材料的切削加工却有着很多独特特点。实验表明，切削加工金属基短纤维增强复合材料时，在其加工面上会残存很多与增强纤维直径对应的孔沟。用金刚石单晶刀具切削SiC短纤维增强铝合金复合材料SiCw/6061时，加工表面上的孔沟数与纤维含有率有关，纤维含有率越高，孔沟越多。
