高强度钢和超高强度钢的切削加工

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高强度钢和超高强度钢的切削加工

1 什么是高强度钢和超高强度钢？所谓高强度钢，是指那些在强度和韧性方面结合很好的钢种。低合金结构钢，经调质处理后，具有很好的综合力学性能。其抗拉强度sb＞1200MPa时，叫高强度钢；其抗拉强度sb＞1500MPa时，称为超高强度钢。 超高强度钢，视其合金含量的多少，可分为低合金超高强度钢(合金含量不大于6%)、中合金超高强度钢和高合金超高强度钢。 含一种合金元素的高强度合金钢有铬钢、镍钢、锰钢等；含两种合金元素的合金钢有铬镍钢、铬锰钢、铬钼钢等；含三种以上合金元素的高强度合金钢有铬锰硅钢、铬镍钨钢、铬镍钼钢、铬锰钛钢、铬锰钼钒钢等。 高强度钢和超高强度钢的原始强度和硬度并不高，但是经过调质处理后可获得较高的强度，硬度在HRC30～50之间。 钢的抗拉强度与硬度之间存在一定的关系。一般来说，硬度提高强度也随之增高，但不能说高强度钢就是高硬度钢。所谓高强度钢和超高强度钢，是指综合性能而言的。淬火钢的硬度很高，但不能称为高强度钢和超高强度钢，其原因是它的综合性能不好，几乎没有塑性，韧性也很差，只能作耐磨零件和工具。 2 高强度钢和超高强度钢有哪些切削特点？高强度钢和超高强度钢，由于加入不同量的合金元素，经热处理后，Si、Mo、Ni等元素使固溶体强化，金相组织多为马氏体，具有很高的强度(最高可达1960MPa)和较高的硬度(HRC＞35)，冲击韧性高于45号钢，切削时具有以下特点： 刀具易磨损、耐用度低：高强度钢和超高强度钢，调质后的硬度一般在HRC50以下，但抗拉强度高，韧性也好。在切削过程中，刀具与切屑的接触长度小，切削区的应力和热量集中，易造成前刀面月牙洼磨损，增加后刀面的磨损，导致刃口崩缺或烧伤，刀具的耐用度低。 切削力大：高强度钢和超高强度钢的剪切强度高，变形困难，切削力在同等的切削条件下，比切45号钢的单位切削力大1.17～1.49倍。 切削温度高：这两种钢的导热性差，切削时切屑集中于刃口附近很小的接触面内，使切削温度增高。如45号钢的导热系数为50.2 W/(m·K)，而38CrNi3MoVA的导热系数为29.3 W/(m·K)，仅为45号钢的60%，切削38CrNi3MoVA时的切削温度比切削45号钢的切削温度高100℃左右。切削温度高，刀具磨损加剧。 断屑困难：由于高强度钢和超高强度钢具有良好的塑性和韧性，所以切削时切屑不易拳曲和折断。切屑常缠绕在工件和刀具上，影响切削的顺利进行。 表1 高速钢牌号的选择
刀具类型	刀具材料
车刀	W9Mo3Cr4V3Co10 4 M& Z7 j7 w9 X1 [" w  PW12Mo3Cr4V3Co5Si W2Mo9Cr4VCo8 7 M9 l2 ^9 g. N4 q3 cW10Mo4Cr4V3Co4Nb W10Mo4Cr4V3Al ( T! \' W" d8 G- Z. h( B2 tW6Mo5Cr4V2Al W18Cr4V4SiNbAl
铣刀	W2Mo9Cr4VCo8 # g) q6 p0 `4 SW12Mo3Cr4V3Co5Si W9Mo3Cr4V3Co10 $ \  O$ p; U4 ?. F  kW10Mo4Cr4V3Co4Nb 8 R' T* j8 ?. N* [W10Mo4Cr4V3Al W6Mo5Cr4V2Al ) r3 p* ^& L9 q/ p. uW18Cr4V4SiNbAl ' l2 [7 Z. t& v- I% KW6Mo5Cr4V5SiNbAl
成形铣刀	W2Mo9Cr4VCo8 W12Mo3Cr4V3Co5Si . K+ q1 E* Q& _- X1 hW10Mo4Cr4V3Co4Nb 0 j# n) a! l, h+ D9 p- g2 oW10Mo4Cr4V3Al W10Mo4Cr4V3Al ! {4 |1 _7 I2 UW6Mo5Cr4V2Al 2 d+ o+ P* [! v% ~: R8 EW6Mo5Cr4V5SiNbAl
拉刀	W2Mo9Cr4VCo8 W12Mo3Cr4V3Co5Si 3 }" i9 M' {  g. L9 u$ o& qW10Mo4Cr4V3Al W10Mo4Cr4V3Al W6Mo5Cr4V2Al " T- M$ @( h# J1 r# U$ PW6Mo5Cr4V5SiNbAl
齿轮刀具	W6Mo5Cr4V2Al W2Mo9Cr4VCo8 5 X' V  l$ ~! X; f2 u' T- nW12Mo3Cr4V3Co5Si W10Mo4Cr4V3Co4Nb ( ~$ f% ?1 ]6 ^) ?! I! \1 y2 bW9Mo3Cr4V3Co10
螺纹刀具	W6Mo5Cr4V2Al 1 z4 X" b, z, n0 d# y2 DW2Mo9Cr4VCo8 % z9 w0 e% ]) H- J3 YW12Mo3Cr4V3Co5Si 1 A" m8 [' t4 a! e: R3 s0 r% g) qW10Mo4Cr4V3Co4Nb 7 b! `. c# y# c: p; c$ J' b9 ?3 LW9Mo3Cr4V3Co10

3 切削高强度钢和超高强度钢时怎样选择刀具材料？高强度钢和超高强度钢具有很高的强度和硬度，切削时要求刀具应具有较高的红硬性、耐磨性及冲击韧性，而且不易产生粘结磨损和扩散磨损。粗加工和断续切削时，要求刀具具有抗热冲击性能。除金刚石刀具外，各种刀具材料均可以切削，在选择刀具材料时，应根据切削条件合理选择。

• 高速钢：选用高性能高速钢切削高强度钢和超高强度钢，应根据工件材料的性能、形状、加工方法和工艺系统刚性等特点，全面考虑刀具材料的耐热性、耐磨性和韧性等。当工艺系统刚性较好、刀具型面简单时，可采用钨系、钨钼系高钒高钴高速钢；型面复杂时，可采用钨钼系、高碳低钒含铝高速钢或钨钼系高碳低钒高钴高速钢；当工艺系统刚性较差时，可采用钨钼系低钒含铝高速钢及钨钼系低钒高钴高速钢；在冲击切削条件下，宜采用钨钼系高钒高速钢、钨钼系含铌高速钢或钨钼系含铝高速钢。不同的切削方式切削高强度钢和超高强度钢时，高速钢牌号的选择见表1。
• 粉末冶金高速钢和TiN涂层高速钢：粉末冶金高速钢，是由高速钢粉末在高温(1100℃)、高压(100MPa)下直接压制，再锻造成所需要的刀具形状，加工淬火后刃磨而成。它具有硬度高、高温硬度好、耐磨性好的特点，适用于高强度钢和超高强度钢的切削。如原冶金部钢铁研究总院生产的FW12Cr4V5C05(FT15)和FW 10Mo5Cr4V2Co12等。 高速钢刀具TiN涂层，可以延长刀具耐用度2～3倍，提高切削速度25%。常用的涂层高速钢刀具有：麻花钻、立铣刀、丝锥、齿轮滚刀、铰刀和插齿刀等。
• 硬质合金：根据硬质合金的性能，它是切削高强度和超高强度钢的主要刀具材料。一般应选新型高性能硬质合金或涂层硬质合金。
• 陶瓷刀具：它的硬度和耐热性高于硬质合金，允许的切削速度比硬质合金高1～2倍。在高强度钢和超高强度钢的切削中，陶瓷刀具主要用于车削和平面铣削的半精加工和精加工中。推荐选用Al2O3～TiC系列陶瓷，如AT6、AG2、T8、LT35、LT55等。
• 立方氮化硼(CBN、PCBN)：这种刀具的硬度、耐磨性及耐热性很高，PCBN的强度也很高，达1500 MPa，适用于高强度钢和超高强度钢的车削和铣削，主要用于半精加工和精加工。

4 切削高强度钢和超高强度钢时怎样选择刀具几何参数？切削高强度钢和超高强度钢，刀具几何参数的选择原则与加工一般钢材相同。但由于这种钢材的切削特点，应注意刀刃和刀尖部分的强度，以保证刀具有一定的耐用度。 刀具的耐用度，随着刀具的前角和后角改变而变化。前角大，刃口强度低，容易造成崩刃。后角小，增大了刀具与工件的摩擦，使切削温度增高，加剧刀具磨损。所以在切削时，应采用较小的前角或负前角及较大的后角。采用硬质合金刀具时，g0=4°～6°，a0=8°～12°；车削超高强度钢时，选用负前角，一般为g0=-2°～-4°。切削刃应鐾出负倒棱，一般为g01=-5°～-15°，bg=(0.5～0.8)f。这样既可以加强刀刃，又不致使切削力增大。 为了加强刀尖强度，刀尖圆弧半径应比加工一般钢材大一些。粗加工时，re=1～2 mm；精加工时，re=0.5～0.8 mm。 在车削和铣削高强度钢或超高强度钢时，高速钢、硬质合金、陶瓷、CNB刀具的几何参数见表3、表4。
表3 车刀几何参数推荐表刀具角度刀具材料高速钢硬质合金CBN陶瓷g03°～12°-4°～6°-8°～-12°-15°～-4°a05°～10°6°～12°10°～15°6°～10°ls4°～2°-12°～0°-10°～0°-20°～-2°表4 铣刀几何参数推荐表刀具材料刀具角度(°)g0lsa0krgpgfb硬质
4 w; ^" w: i; ~1 p: w( K) L合金面铣刀-15～-6-12～-38～1230～75-15～-6-12～-3-立铣刀--4～1090-15～-5-10～-3-高速钢立铣刀--7～1090-3～530～35陶瓷面铣刀-20～-8-12～-34～1030～75---
" u8 P$ ?  I: U0 |% g　

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5 切削高强度钢和超高强度钢时怎样选择切削用量？各种高强度钢和超高强度钢中的合金元素种类与含量不同，热处理后的力学物理性能差异也很大，因此应根据不同的切削对象合理选择切削用量。选择切削用量的基本原则与一般切削相同。 切削高强度钢时的切削速度应比加工一般钢材低些，为切削45号钢的切削速度的50%左右。加工超高强度钢应更低一些，为切削45号钢的切削速度的30%。采用高速钢刀具时，Vc=3～11m/min，f=0.03～0.3mm/r，ap=0.3～2mm；采用陶瓷刀具切削时，Vc=70～210m/min，f=0.05～1mm/r，ap=0.1～4mm；采用CBN(或PCBN)切削时，Vc=40～220m/min，f=0.03～0.3mm/r，ap≤0.8 mm。 采用硬质合金刀具车削时，粗车或荒车时，Vc=10～90m/min，f=0.3～1.2mm/r，ap=4～20 mm；半精车时，Vc=30～140m/min，f=0.15～0.4mm/r，ap=1～4pmm；精车时，Vc=70～120m/min，f=0.05～0.2mm/r，ac=0.05～1.5mm。在选择切削速度时，应考虑材料的强度，一般σb=1000～1500MPa时，Vc=85～40m/min，σb=1500～1700MPa时，Vc=58～35m/min；σb=2000～2150MPa时，Vc=35～10m/min。 6 怎样解决切削高强度钢和超高强度钢时的断屑问题？切削高强度钢和超高强度钢时的断屑问题，是影响加工效率和生产自动化的重要问题。同时，解决好断屑问题，也是提高加工质量和刀具耐用度的重要手段。因此必须根据切削的条件和加工方式，选择有效的断屑措施。

• 利用刀片断屑槽断屑：这种方法是最常用而比较简单的断屑方法。常用的刀具都可以磨出一定的槽型，但一般一种槽型只能针对一种或几种工件材料，在一定的切削用量范围内断屑。焊接式硬质合金刀具，可以磨成槽底为圆弧槽，前宽深后窄浅的锥形槽、弧形槽、腰鼓形槽、棱形凸面槽等，见图1和图2。锥形断屑槽刃磨起来比较容易，其几何参数见表5。
  

  http://www.c-cnc.com/news/file/2007-4/2007419164026.gif " L% I" F; G0 k3 [. F7 ]: l- z3 j图1 锥形断屑槽	http://www.c-cnc.com/news/file/2007-4/2007419164056.gif 弧形槽	http://www.c-cnc.com/news/file/2007-4/2007419164117.gif 1 m5 Y& O  u0 v0 f& ?4 G腰鼓形槽	http://www.c-cnc.com/news/file/2007-4/2007419164134.gif ' _$ h5 g. o1 q6 t* U% u3 H6 j凸棱面槽
  	图2 弧形槽、腰鼓形槽、凸棱面槽

  表5 锥形断屑槽参数 Wn
  (mm)Rn
  (mm)L
  $ S' u9 P) Y1 K5 E, |8 F% f(mm)g0
  ( k( x, h- a) E8 s% `, ~(°)a0
  (°)a'0
  (°)k'r
  (°)倒棱f
  (mm/r)ap
  (mm)粗车4.5910881080.2×(-8°)0.25～13～15半精车2.53410128100.2×(-15°)0.08～0.30.1～5精车1.512.52010880.2×(-15°)0.08～0.150.1～0.5
• 障碍式(或导屑器)断屑：采用可调式断屑压板或弹性断屑板强迫断屑，也是常采用的方法。钻削、镗削时可采用导屑器，防止切屑缠绕，见图3。
  

  http://www.c-cnc.com/news/file/2007-4/200741916426.gif 图3 钻头导屑器

• 改变刀具几何参数断屑：在切削高强度钢和超高强度钢时，可以通过改变一个或几个刀具几何参数达到断屑的目的。如加大主偏角、加大负倒棱宽度、减小前角等。但应注意的是，改变刀具几何参数时，必须综合考虑工艺系统刚性和刀具耐用度。当机床刚性较差或弱刚性工件时，如加大倒棱宽度、减小前角，会使切削力增加，容易引起工件振动，影响加工质量。而加大主偏角，会使刀尖强度降低，散热面积减小，影响刀具耐用度。一般只在半精车和精车时采用。
• 改变切削用量断屑：当切削深度不很大时，可以通过增加进给量、降低切削速度来达到断屑的目的。当切削深度已经较大时，必须考虑刀具的强度、工艺系统的刚性和机床功率，以免造成“闷车”，使刀具损坏。
• 工件预切槽断屑法：切削高强度钢和超高强度钢时，可以在工件的被加工表面上，预先加工1～2条直槽或螺旋槽，深度不得超过切削深度，一般为0.6～0.8ap。使切削深度在切削过程中不停的变化，可以取得稳定的断屑效果。
• 间断进给断屑：在切削过程中，周期性瞬时停止进给，也可以达到良好断屑的目的。
• 外力强迫断屑：在切削过程中，可以采用辅助装置或能量，使切屑被迫折断。如喷射高压流体等。

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7 对高强度钢和超高强度钢铰孔时怎样选择铰刀？对高强度钢和超高强度钢铰孔时，可选用高性能高速钢和硬质合金作为刀具材料。高性能高速钢中的高钒、高钴、含钴或含铝的超硬高速钢，非常适于加工这种钢材。如用含钴超硬高速钢W12Mo5Cr4V3Co5Si制作的铰刀，直径Ø18 mm，铰削高强度钢(σb =1200～1300 MPa)的孔时，每把铰刀可铰孔60～70个。铰时n=140r/min，f=0.05mm/r，粗糙度Ra为1.6µm。 用于高强度钢的硬质合金铰刀，如图4-4所示，刀具材料为YT15硬质合金。此铰刀适用于L/D≤5及D=6～80mm的孔。使用时要充分加乳化液。如使用钻套，必须使用旋转钻套，以避免铰刀刃口与钻套摩擦。操作时，先将刀具与工件接触后再开车，退刀时最好先停车。 8 铰削高强度钢和超高强度钢孔时怎样选择切削用量？高强度钢和超高强度钢一般铰孔时，切削余量不宜过大，否则会影响加工效率和刀具耐用度。当孔径小于等于15 mm时，余量约为0.1～0.15 mm；孔径大于15 mm时，余量为0.2～0.3 mm。在选择切削速度时，要充分考虑工件材料的强度和硬度。硬质合金铰刀的切削用量见表6和表7。
表6 硬质合金铰刀的切削用量工件材料强度sb
(MPa)切削速度Vc
  F2 P6 e2 g+ ~- U8 E& V1 @. c(m/min)孔径
(mm)转速n
( r# P7 {; O# B) {; P- o(r/min)11306010～15600～118012505513245020～30375～75014254015203030～80375～600166820表7 硬质合金高速铰刀的切削用量工件材料切削用量HRCsb(MPa)Vc(m/min)f(mm/r)ap(mm)≤28≤882108～1380.1～0.170.2～0.25≤35≤1372100～1300.1～0.170.2～0.25≤48≤157270～1080.1～0.170.15～0.2≤51≤176560～1000.12～0.20.15～0.2≤53≤186455～90 0.12～0.20.15～0.2＞53＞186440～700.1～0.17＜0.15

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9 钻削高强度钢和超高强度钢时怎样选择钻头？钻削高强度钢，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，一般应采用硬质合金钻头，直径大于16mm孔时，推荐选用可转位浅孔钻。 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，一般为2kr=140°～150°。为了减小轴向力，应减小横刃，一般为0.1do(do为钻头直径)。钻头的进给前角gf=0°，进给后角af=6°～12°。可转位浅孔钻的刀片应选用涂层刀片或非涂层刀片。推荐选用的涂层刀片有：YB01、YB02、YB03；非涂层刀片有：YC10、YC30、YC40、YD20、798、813等。 10 钻削高强度钢和超高强度钢时怎样选择切削用量？钻削高强度钢和超高强度钢，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>45时，切削速度更低。进给量为f=0.03～0.3 mm/r，钻头直径小时取小值。 采用硬质合金钻头时，可以选较高的切削速度，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。当工件材料硬度HRC>50时，钻头的速度应小于30m/min，进给量f=0.03～0.3 mm/r。高速钢和硬质合金钻头，钻削不同硬度的高强度和超高强度钢的切削速度见表8；高速钢群钻的切削用量见表9。
表8 按工件材料硬度选择切削速度工件硬度35～4040～4545～5050～55刀具切削速度
(m/min)高速钢9～127.6～114.6～7.62～6.6硬质合金72～12030～7222～30＜30表9 高速钢群钻切削用量深径比
% A2 E% I& ^; h6 @L/D切削用量孔径(mm)81012162025303540～60＜3f (mm/r)0.130.180.220.260.320.360.400.450.5Vc (m/min)1212.5133～8f (mm/r)0.120.150.180.220.260.300.320.380.41Vc (m/min)1111.512
. i* d3 g' Z% M, @; O* h: O0 z

http://www.c-cnc.com/news/file/2007-4/2007419163718.gif 图5 攻刚强度钢螺纹的丝锥

11 怎样攻高强度钢和超高强度钢螺纹？攻高强度钢和超高强度钢螺纹的丝锥，可用高性能高速钢、粉末冶金高速钢等制作。当工件硬度达到HRC48～52时，应采用硬质合金丝锥。丝锥多采用跳牙丝锥和修正丝锥。丝锥的齿形角应小于2°～5°，校准部分应有17′～33′的倒锥，切削锥角取2°30′～5°，切削锥长度L1=(1/2～2/3)校准部分长度。应适当增加螺纹底孔直径与切削部分长度，减小校准部分长度。如攻制高强度钢螺纹的丝锥(如图5所示)，丝锥的材质为含钴超硬高速钢(W2Mo9Cr4VCo8)，规格为M18×1.5，每组三支。攻丝时，使用豆油或菜子油作切削液。 12 铣削高强度钢和超高强度钢时怎样选择刀具及几何参数？

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高强度钢和超高强度钢的室温强度很高，抗拉强度一般在1470 MPa以上。淬火后的硬度在HRC35以上，最高可达HRC58。高强度的马氏体，在切削时的剪切应力大，切削温度高，刀具磨损严重，容易崩刃或打刀。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Al2O2—TiC系列热压陶瓷刀具。高速钢铣刀，可选用高钒高速钢、含钴或含铝超硬高速钢，如W12Cr4V4Mo、W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5Cr4V2Al。选用硬质合金作刀具材料时，应选抗弯强度高、硬度也较高的刀片，如SC30、YC40、SD15、YC35、YS25、726、813等。 在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0°(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。 13 铣削高强度钢和超高强度钢时怎样选择切削用量？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，见表11。按工件材料的硬度选择铣削用量，见表12。
) f3 n0 u' u" d4 w4 N表11 按工件材料强度选择铣削速度工件强度sb (MPa)800～12001200～15001500～18001800～2100铣削速度
(m/min)高速钢
8 E/ U, `- ~, p! ]8 p. O3 q取f=0.1mm/z10～307～123～82～4硬质合金
; T+ a$ |8 g; C* `; a& \+ L取f=0.08～0.4mm/z60～12025～808～42≤8表12 按工件材料硬度选择铣削用量刀具250～350HB350～400HBVc (m/min)f (mm/z)Vc (m/min)f (mm/z)高速钢面铣刀10～180.13～0.256～100.08～0.2圆柱铣刀10～15三面刃铣刀硬质合金面铣刀精铣80～1270.12～0.3860～900.12～0.30面铣刀粗铣70～10053～76圆柱铣刀60～1000.18～0.3046～760.18～0.30三面刃铣刀0.13～0.300.13～0.30陶瓷面铣刀100～3000.15～0.3080～1000.08～0.30圆柱铣刀0.13～0.30三面刃铣刀0.10～0.300.10～0.3014 切削高强度钢和超高强度钢有哪些实例？

• 车削：工件材质为32CrNi3MoVA，sb=1080 MPa，硬度为HRC35～38。刀具材料为YN05，g0=4°～8°，a0=6°～10°，ls=-4°。车削用量为Vc=65m/min，f=0.3mm/r，ap=1mm。
• 车削：工件材质为35CrMoSiA，sb≥1450 MPa，硬度为HRC43～48。刀具材料为AG2陶瓷，g0=-4°，a0=6°，ls=-4°。切削用量为Vc=150 m/min，f=0.3mm/r，ap=0.3mm。
• 铣削(面铣)：工件材质为40CrNiMoVA，sb=1870MPa，硬度为HRC52～54。刀具材料为YM052硬质合金，g0=0°～5°，a0=8°，ls=-5°，kr=45°。切削用量为Vc=23 m/min，f=0.08～0.1 mm/z，ap=2mm。
• 钻孔：工件材料为超高强度钢，sb=1850～1980 MPa，硬度为HRC53～55。钻头的材料为W12Mo3Cr4V3Co5Si含钴超硬高速钢。切削条件为n=105r/min，f=0.05 mm/r，钻头直径Ø10 mm，孔深30 mm，一般冷却，每刃磨一次钻头，可钻孔38～40个。
• 铰孔：工件材质为高强度钢，sb=1200 MPa，采用含钴超硬高速钢，在n=140r/min，f=0.05mm/r，铰孔余量为0.1mm的情况下，用直径8mm的铰刀，铰孔60～70个，尺寸稳定，表面粗糙度Ra为1.6μm以下。
• 攻丝：工件材料为高强度钢，sb=1200 MPa，采用含钴超硬高速钢的M12×1的丝锥，手动攻丝，攻60个孔，丝锥未见磨损。用普通高速钢的丝锥，只能攻6～8个螺孔。