是碳钢金属加工行业的“主力军”材料，也是迄今为止切削加工最多的钢种。美国生产的大约87%的钢是碳钢。使用碳钢的可行性取决于其机械性能(如抗拉强度、屈服强度、疲劳强度、抗冲击性和所需的热处理)是否适合制造某些零件。如果碳钢的特性能满足零件的要求，大部分用户会选择碳钢，因为它的价格比其他钢材便宜。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，从而提高车削效率。同时还给出了与切削深度和进给量有关的切削速度参数以及刀具材料和碳钢的硬度。早在66年前，金属切削领域的先驱尤金麦钱特(M. Eugene Merchant)和汉斯恩斯特(Hans Ernst)博士就已经阐述了切屑的形成、切屑与刀具之间的摩擦、表面质量和金属去除效率。在他的研究中，Merchant博士使用了多种金属材料，包括1020低碳钢和1112易切削钢。Merchant博士在大量实验的基础上，建立了金属切削过程的数学模型，沿用至今。该模型可用于刀具断屑器的设计。如果将AISI 1212易切削碳钢的平均切削性能设定为100%，那么铁和非铁合金材料的切削性能等级可以用百分数来表示。以AISI 1045中碳钢为标准工件材料，通过规定切削条件下的车削试验，可以确定各种牌号可转位刀片的使用寿命。碳钢分为六大类：低碳钢、中碳钢、高碳钢、再硫化后的易切削钢、再硫化再磷后的易切削钢、未硫化的高锰钢(锰含量超过1%)。低碳钢(AISI 1005~1026)含碳0.06% ~ 0.28%，锰0.25% ~ 1%，磷小于0.04%，硫小于0.05%。目前，低碳钢有16个标准牌号。车削低碳钢时，如果刀具断屑槽不能形成足够的剪切角，使切屑从刀片的前刀面卷曲离开，就会产生长切屑，在可转位刀片表面形成积屑瘤。低速切削是切屑堆积的另一个原因。切屑堆积会起到刀具延伸的作用，改变零件的加工尺寸，恶化表面光洁度。在这种情况下，必须将切削速度提高15% ~ 20%或更多，直到加工表面质量得到改善。合适的切削速度取决于切削深度、进给速度、刀具材料和工件硬度。选择切割速度是一项具有挑战性的任务。一般可根据加工精度要求(粗加工、半精加工或精加工)保守预选切削深度和进给速度参数。低碳钢的切削速度略有不同，所以可以分为两组。低碳钢粗加工、半精加工和精加工的典型切削参数如表1和表2所示。表1 AISI 1015、1020、1023、1025和1026等级的切削参数工件硬度HB切削深度apmm(英寸)进给量fmm/r(ipr)切削速度Vcm/min(sfm)刀具材料ISO *(ANSI)* * 85 ~ 1257.50(0.30)0.50 3.80(0.15)0.38(0.015)215(700)CP20(CC 1021和1022牌号切削参数工件硬度HB切削深度apmm(英寸)进给速度fmm/r(ipr)切削速度Vcm/min(sfm)刀具材料ISO *(ANSI)* 85 ~ 1257.50(0.30)0.50(0 3.80(0.15)0.38(0.015)205(675)CP20(CC-6)1.00(0.04)0.18 表1 ~ 6来自《加工数据手册》(第三版，第一版
材料是指涂层硬质合金。表中数据表明，切削速度随切削深度和进给量的增加而降低。如果切削深度和进给速度中的一个(或两个)与表中的数据不同，则需要调整切削速度，以保持根据表中的切削参数计算的金属去除率(MRR)不变。计算示例如下。表1中第一行金属切削的切削参数
率为：MRR=Vc*1000×ap×f=170×1000×7.5×0.50=637500mm3/min- 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。
