碳钢车削加工指南

时间：2010-12-20

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碳钢是金属加工行业的“主力”材料，也是迄今为止切削加工最多的钢种。美国生产的钢约有87%都是碳钢。
使用碳钢的可行性取决于其机械特性(如抗拉强度、屈服强度、疲劳强度、抗冲击性以及所需要的热处理)是否适合制造某种零件。如果碳钢的特性可以满足零件的要求，大多数用户都会选用碳钢，因为其价格比其它钢材更便宜。
本文旨在帮助加工碳钢零件的用户了解各种碳钢牌号的成分，以提高车削加工效率；同时还给出了与切深、进给率有关的切削速度参数和刀具材料与碳钢的硬度。
早在66年前，金属切削领域的先驱M. Eugene Merchant和Hans Ernst博士就已经阐述了切屑的形成、切屑与刀具间的摩擦、表面质量和金属去除效率。在研究中，Merchant博士采用了多种金属材料，其中就包括1020低碳钢和1112易切钢。基于大量的试验，Merchant博士建立了一个金属切削过程的数学模型并沿用至今，该模型可用于设计刀具的断屑器。
将AISI 1212易切削碳钢的平均可加工性设定为100%，就可以用百分数来表示铁和非铁合金材料的可加工性等级。以AISI 1045中碳钢作为标准工件材料，在规定切削条件下进行车削试验，即可确定各种牌号可转位刀片的使用寿命。
碳钢分为6大类：低碳钢、中碳钢、高碳钢、再硫化易切钢、再硫化及再回磷易切钢和无硫化高锰钢(含锰量超过1%)。
低碳钢
低碳钢(AISI 1005～1026)的含碳量为0.06%～0.28%，含锰量为0.25%～1%，含磷量不超过0.04%，含硫量不超过0.05%。目前低碳钢共有16个标准牌号。
车削低碳钢时，如果刀具断屑器不能形成足够大的剪切角使切屑卷曲而脱离刀片前刀面，就会产生长切屑，并在可转位刀片表面生成积屑瘤。低速切削则是产生积屑瘤的另一个原因。积屑瘤会起到刀具延伸的作用，从而改变零件加工尺寸，并会使被加工表面光洁度恶化。在这种情况下，需将切削速度提高15%～20%或更高，直至加工表面质量获得改善。
合适的切削速度取决于切深、进给率、刀具材料和工件的硬度。选择切削速度是一项具有挑战性的工作。通常，可根据加工精度要求(粗加工、半精加工或精加工)比较保守地预选切深和进给率参数。加工低碳钢采用的切削速度略有不同，据此可分为两组。典型的低碳钢粗加工、半精加工和精加工切削参数见表1、表2。
表1 AISI1015、1020、1023、1025 和1026牌号的切削参数工件
硬度
HB切削深度ap
mm
(英寸)进给率f
mm/r
(ipr)切削速度Vc
m/min
(sfm)刀具材料
ISO*
(ANSI)**
85～1257.50
(0.30)0.50
(0.02)170
(550)CP30
(CC-6)
3.80
(0.15)0.38
(0.015)215
(700)CP20
(CC-6)
1.00
(0.04)0.18
(0.007)320
(1050)CP10
(CP-7)
125～1757.50
(0.30)0.50
(0.02)150
(500)CP30
(CC-6)
3.80
(0.15)0.38
(0.015)190
(625)CP20
(CC-6)
1.00
(0.04)0.18
(0.007)290
(950)CP10
(CP-7)
175～2257.50
(0.30)0.50
(0.02)135
(450)CP30
(CC-6)
3.80
(0.15)0.38
(0.015)170
(550)CP20
(CC-6)
1.00
(0.04)0.18
(0.007)260
(850)CP10
(CP-7)
*ISO——国际标准化组织，使用公制单位
**ANSI——美国国家标准学会，使用英制单位
表2 AISI1016～1019、1021和1022牌号的切削参数工件
硬度
HB切削深度ap
mm
(英寸)进给率f
mm/r
(ipr)切削速度Vc
m/min
(sfm)刀具材料
ISO*
(ANSI)**
85～1257.50
(0.30)0.50
(0.02)160
(525)CP30
(CC-6)
3.80
(0.15)0.38
(0.015)205
(675)CP20
(CC-6)
1.00
(0.04)0.18
(0.007)310
(1025)CP10
(CP-7)
125～1757.50
(0.30)0.50
(0.02)150
(500)CP30
(CC-6)
3.80
(0.15)0.38
(0.015)190
(625)CP20
(CC-6)
1.00
(0.04)0.18
(0.007)290
(950)CP10
(CP-7)
175～2257.50
(0.30)0.50
(0.02)135
(450)CP30
(CC-6)
3.80
(0.15)0.38
(0.015)170
(550)CP20
(CC-6)
1.00
(0.04)0.18
(0.007)260
(850)CP10
(CP-7)
*ISO——国际标准化组织，使用公制单位
**ANSI——美国国家标准学会，使用英制单位


表1～6资料来源于《加工数据手册》 (第3版第1卷)和《钢材的工程特性》。刀具材料指涂层硬质合金。
表中数据说明：切削速度随着切深和进给率的增大而减小。如果切深、进给率之一(或二者)与表中数据不同，就需要调整切削速度，以使按表中切削参数计算出的金属切除率(MRR, Metal Remove Rate)保持不变。计算实例如下。
表1中第一行切削参数的金属切除率为：
MRR=Vc*1000×ap×f=170×1000×7.5×0.50=637500mm3/min
(原文相应的英制计算为：MRR＝12"×sfm×ap×ipr＝12×550×0.300×0.020＝39.6in.3/min。因切削技术网站在切削速度换算时进行了圆整，两者计算结果38.9in3/min有差异，下同。)
如切深减小至5mm(0.200")，要使金属切除率保持不变，则切削速度必须等于255m/min(合835sfm)，即：
Vc=MRR÷ap÷f÷1000=637500÷5÷0.5÷1000=255m/min
(原文相应的英制计算为：sfm＝mrr÷DOC÷ipr÷12＝39.6÷0.200÷0.020÷12＝825sfm)
在本例中，切削速度随着切深的减小而按相同比例增大[7.5÷5=1.5，170×1.5=255(原文为0.300÷0.200＝1.5，550×1.5＝825sfm)。
中碳钢
中碳钢(AISI 1029～1053)的含碳量为0.25%～0.55%，含锰量为0.30%～1.00%，含磷量不超过0.04%，含硫量不超过0.05%。中碳钢有16个标准牌号，其切削参数见表3。 表4 高碳钢的切削参数工件
硬度
HB切削深度ap
mm
(英寸)进给率f
mm/r
(ipr)切削速度Vc
m/min
(sfm)刀具材料
ISO*
(ANSI)**
175～2257.50
(0.30)0.50
(0.02)122
(400)CP30
(CC-6)
3.80
(0.15)0.38
(0.015)150
(500)CP20
(CC-6)
1.00
(0.04)0.18
(0.007)230
(750)CP10
(CP-7)
225～2757.50
(0.30)0.50
(0.02)115
(375)CP30
(CC-6)
3.80
(0.15)0.38
(0.015)145
(475)CP20
(CC-6)
1.00
(0.04)0.18
(0.007)215
(700)CP10
(CP-7)
275～3257.50
(0.30)0.50
(0.02)105
(350)CP30
(CC-6)
3.80
(0.15)0.38
(0.015)135
(450)CP20
(CC-6)
1.00
(0.04)0.18
(0.007)205
(675)CP10
(CP-7)
325～3757.50
(0.30)0.50
(0.02)90
(300)CP30
(CC-6)
3.80
(0.15)0.38
(0.015)115
(375)CP20
(CC-6)
1.00
(0.04)0.18
(0.007)165
(550)CP10
(CP-7)
*ISO——国际标准化组织，使用公制单位
**ANSI——美国国家标准学会，使用英制单位
表3 中碳钢的切削参数工件
硬度
HB切削
深度ap
mm
(英寸)进给率
f
mm/r
(ipr)切削
速度Vc
m/min
(sfm)刀具材料
ISO*
(ANSI)**
125～1757.50
(0.30)0.50
(0.02)145
(475)CP30
(CC-6)
3.80
(0.15)0.38
(0.015)185
(600)CP20
(CC-6)
1.00
(0.04)0.18
(0.007)280
(825)CP10
(CP-7)
175～2257.50
(0.30)0.50
(0.02)125
(415)CP30
(CC-6)
3.80
(0.15)0.38
(0.015)160
(525)CP20
(CC-6)
1.00
(0.04)0.18
(0.007)240
(785)CP10
(CP-7)
225～2757.50
(0.30)0.50
(0.02)120
(400)CP30
(CC-6)
3.80
(0.15)0.38
(0.015)155
(500)CP20
(CC-6)
1.00
(0.04)0.18
(0.007)230
(750)CP10
(CP-7)
*ISO——国际标准化组织，使用公制单位
**ANSI——美国国家标准学会，使用英制单位

车削中碳钢时会产生不连续的切屑，被加工表面质量优于低碳钢，但切削力和刀具磨损会随着含碳量和硬度的增加而加大。因此，当工件硬度增大时，应减小切削速度。
高碳钢
高碳钢(AISI 1055～1095)的含碳量为0.60%～1.03%，含锰量为0.30%～0.90%，含磷量不超过0.04%，含硫量不超过0.05%。高碳钢有14个标准牌号，其切削参数见表4。
车削高碳钢时，因含碳量较高，切削力和刀具磨损比车削中碳钢时要大。因此应采用较低的切削速度以减小刀具磨损。与加工低、中碳钢时类似，对不同硬度的工件应采用相应的切削速度。
易切钢
易切钢分为再硫化易切钢(11XX系列)和再硫化、再回磷易切钢(12XX系列)。
再硫化易切钢(AISI 1108～1151)包括14个标准牌号。含硫量达到0.33%时可改善材料的可加工性(AISI 1119和AISI 1144)。大部分11XX系列牌号都将含锰量由1.30%提高到1.65%，以便有足够的锰与硫反应生成MnS颗粒。由于MnS颗粒在切屑成形过程中会形成一些微孔和微裂纹，而这些微观缺陷扩散到工件的切除层中，加大了切屑的剪切角，加速了切屑断裂过程，从而可获得良好的加工表面。
再硫化、再回磷易切钢包括4种无铅标准牌号(AISI 1211、1212、1213和1215)和3种含铅标准牌号(AISI 12L13、12L14和12L15)，含铅量为0.15%～0.35%。12XX系列牌号增加了含硫量(0.10%～0.35%)和含磷量(0.04%～0.12%)。增加含硫量的效果与AISI 11XX牌号的情况类似。
增加磷含量后，磷溶解于铁可促进断屑，有利于避免形成长的卷须状切屑，可获得较好的加工表面光洁度。
在车削加工中，铅在12XX系列牌号中的作用类似于一种内润滑剂，可以降低刀具与工件间的摩擦，减少发热。含铅牌号主要用于大批量加工。使用含铅牌号可提高切削速度，获得良好的加工表面，加工效率可提高25%以上。
再硫化、再回磷易切钢广泛用于加工螺纹制品。由于经济性的原因，限制了含铅易切钢在螺纹高速加工中的应用，但其出色的加工特性在螺纹高速加工中可以得到充分的体现。
在所有易切钢中，12LXX牌号最适于高速车削，其切削参数见表5。车削易切钢时产生不连续切屑，因此不存在切屑控制问题。 表5 AISI12L13、12L14、 和12L15牌号的切削参数工件
硬度
HB切削深度ap
mm
(英寸)进给率f
mm/r
(ipr)切削速度Vc
m/min
(sfm)刀具材料
ISO*
(ANSI)**
100～1507.50
(0.30)0.50
(0.02)250
(825)CP30
(CC-6)
3.80
(0.15)0.38
(0.015)315
(1025)CP20
(CC-6)
1.00
(0.04)0.18
(0.007)475
(1550)CP10
(CP-7)
150～2007.50
(0.30)0.50
(0.02)245
(800)CP30
(CC-6)
3.80
(0.15)0.38
(0.015)305
(1000)CP20
(CC-6)
1.00
(0.04)0.18
(0.007)460
(1500)CP10
(CP-7)
200～2507.50
(0.30)0.50
(0.02)230
(750)CP30
(CC-6)
3.80
(0.15)0.38
(0.015)280
(925)CP20
(CC-6)
1.00
(0.04)0.18
(0.007)425
(1400)CP10
(CP-7)
*ISO——国际标准化组织，使用公制单位
**ANSI——美国国家标准学会，使用英制单位
表6 AISI1524、1541、1547、1548、1551和1552牌号的切削参数工件
硬度
HB切削深度ap
mm
(英寸)进给率f
mm/r
(ipr)切削速度Vc
m/min
(sfm)刀具材料
ISO*
(ANSI)**
125～1757.50
(0.30)0.50
(0.02)145
(475)CP30
(CC-6)
3.80
(0.15)0.38
(0.015)185
(600)CP20
(CC-6)
1.00
(0.04)0.18
(0.007)280
(925)CP10
(CP-7)
175～2257.50
(0.30)0.50
(0.02)130
(415)CP30
(CC-6)
3.80
(0.15)0.38
(0.015)160
(525)CP20
(CC-6)
1.00
(0.04)0.18
(0.007)240
(785)CP10
(CP-7)
225～2757.50
(0.30)0.50
(0.02)120
(400)CP30
(CC-6)
3.80
(0.15)0.38
(0.015)155
(500)CP20
(CC-6)
1.00
(0.04)0.18
(0.007)230
(750)CP10
(CP-7)
*ISO——国际标准化组织，使用公制单位
**ANSI——美国国家标准学会，使用英制单位


高锰钢
高锰钢的含锰量为0.75%～1.65%，含碳量为0.10%～0.71%，磷和硫的含量与低、中、高碳钢相同，共有12个标准牌号。大部分牌号含有0.0005%～0.30%的硼，加入硼可提高淬硬层的厚度。
15XX系列低碳高锰钢(AISI 1513～1527)主要用于加工对表面淬硬性要求高于普通碳钢的渗碳零件。
中碳高锰钢(含碳量0.30%～0.35%)一般用于棒料加工的零件，是否需要热处理取决于应用场合和所需要的强度。
高碳高锰钢(AISI 1547～1566)比普通碳钢牌号有更高的强度和耐磨性。
含硼高锰钢(如AISI 15B48H)一般用于轴类制品。这种钢可替代合金钢和高碳钢制造需要热处理的螺钉，其切削参数见表6。
车削高锰钢类似于车削10XX系列中碳钢。
刀具材料牌号说明
刀具材料的技术规范来源于ANSI(美国国家标准学会)和ISO(国际标准化组织)。ANSI采用的是行业代码，可以标示出未涂层硬质合金牌号(C-1、C-2等)和涂层硬质合金牌号(CC-5、CC-6等)。代码的数字部分仅仅给出了硬质合金的基本特性，如韧性和硬度。C-1～C-4牌号都是采用钴结合剂的纯碳化钨，但钴含量和碳化钨粒度有所不同。
CC-5～CC-8牌号包括了采用钴结合剂的复合碳化钨、碳化钽、碳化钛和碳化铌。这些牌号与C-1～C-4相比具有更好的抗月牙洼磨损性能，因此推荐用于加工钢件。从CC-5到CC-8牌号，材料的硬度依次增大，而韧性依次减小。
CC-6牌号是通用硬质合金材料，具有中～高水平的抗冲击性和中等水平的抗磨损性，推荐用于粗加工和半精加工。CC-7牌号具有中等水平的抗冲击性和抗磨损性，适用于精加工。牌号数字较大的硬质合金的抗磨损性较好，可采用较高切削速度。牌号数字较小的硬质合金的韧性较好，可采用较大进给量。
ISO标准代码由字母和两位数字组成。字母C表示涂层硬质合金，后面的字母P表示该牌号适合加工碳钢。CP-10牌号表示适用于高速切削，切屑横截面小～中；CP-20表示适用于中速切削，切屑横截面中等；CP-30表示适用于中～低速切削，切屑横截面中～大。牌号的数字越大，表示该硬质合金韧性越大、硬度越小。牌号数字较小的硬质合金具有较好的抗磨损性，可提高切削速度；牌号数字较大的硬质合金韧性好，可增大进给量。
需要说明的是，不同生产厂商专门命名的硬质合金牌号与ANSI和ISO代码不一定相同。
前面表中给出的切削速度只是起始推荐值，因为随着新的机床和涂层硬质合金刀具的采用，切削速度可以提高15%～30%，但这样做必须考虑机床功率。
涂层硬质合金刀具不仅使用寿命长，而且还可进行高速切削以提高加工效率。切削速度提高30%，加工成本可降低15%。
在各种涂层材料中，采用PVD工艺的TiAlN涂层最为常用，一般用于干式高速精加工和普通加工中。采用CVD工艺的3层涂层(外层为TiN，中间层为Al2O3，内层为TiCN)一般用于粗加工和半精加工。
虽然碳钢的车削加工并不复杂，但零件制造商需要了解碳钢的牌号和材料特性，通过合理选择刀具、车床(或车削中心)和工件夹紧装置，就能大大提高加工效率。