不銹鋼的切削加工

　　隨著航空、航天、石油、化工、冶金和食品等工業(yè)的蓬勃發(fā)展，不銹鋼材料已得到廣泛應(yīng)用，而不銹鋼材料由于韌性大、熱強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、切削時(shí)塑性變形大、加工硬化嚴(yán)重、切削熱多、散熱困難等原因，造成刀尖處切削溫度高、切屑粘附刃口嚴(yán)重、容易產(chǎn)生積屑瘤，既加劇了刀具的磨損，又影響加工表面粗糙度。此外，由于切屑不易卷曲和折斷，也會(huì)損傷已加工表面，影響工件的質(zhì)量。為提高加工效率和工件質(zhì)量，正確選擇刀具材料、車刀幾何參數(shù)和切削用量至關(guān)重要。

　　一、刀具材料的選擇

　　正確選用刀具材料是保證加工不銹鋼的決定因素。根據(jù)不銹鋼的切削特點(diǎn)，刀具材料應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度、韌性、高硬度和高耐磨性且與不銹鋼的粘附性要小。

　　常用的刀具材料有硬質(zhì)合金和高速鋼兩大類，形狀復(fù)雜的刀具主要采用高速鋼材料。由于高速鋼切削不銹鋼時(shí)的切削速度不能太高，因此影響生產(chǎn)效率的提高。對于較簡單的車刀類刀具，刀具材料應(yīng)選用強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好的硬質(zhì)合金，因其硬度、耐磨性等性能優(yōu)于高速鋼。常用的硬質(zhì)合金材料有：鎢鈷類(YG3、YG6、 YG8、YG3X、YG6X)，鎢鈷鈦類(YT30、YT15、YT14、YT5)，通用類(YW1、YW2)。YG類硬質(zhì)合金的韌性和導(dǎo)熱性較好，不易與切屑粘結(jié)，因此適用于不銹鋼粗車加工;而YW類硬質(zhì)合金的硬度、耐磨性、耐熱性以及韌性都較好，適合于不銹鋼的精車加工。加工 1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼時(shí)，不宜選用YT類硬質(zhì)合金，由于不銹鋼中的Ti和YT類硬質(zhì)合金中的Ti產(chǎn)生親合作用，切屑容易把合金中的Ti帶走，促使刀具磨損加劇。

　　二、刀具幾何角度的選擇

　　刀具切削部分的幾何角度，對于不銹鋼切削加工的生產(chǎn)率、刀具耐用度、被加工表面粗糙度、切削力以及加工硬化等方面都有很大的影響，合理選擇和改進(jìn)刀具幾何參數(shù)是保證加工質(zhì)量、降低成本的有效途徑。

　　1. 車刀前角γ0的選擇

　　前角的大小決定刀刃的鋒利與強(qiáng)度。增大前角可以減小切屑的變形，從而減小切削力和切削功率，降低切削溫度，提高刀具耐用度。但是增大前角會(huì)使楔角減小，降低刀刃強(qiáng)度，造成崩刃，使刀具耐用度下降。車削不銹鋼時(shí)，在不降低刀具強(qiáng)度的條件下，應(yīng)把前角適當(dāng)取大一些。在刀具前角大時(shí)其塑性變形小，切削力和切削熱降低，減輕加工硬化趨勢，提高刀具耐用度，一般刀具前角宜取12°～20°。

　　2. 車刀后角α0的選擇

　　在切削過程中，后角可以減小后刀面與切削表面的摩擦。若后角過大，則楔角減小，使散熱條件惡化，刀具刃口強(qiáng)度下降，降低刀具耐用度;若后角過小，摩擦嚴(yán)重，則會(huì)使刃口變鈍，增大切削力，增高切削溫度，加劇刀具磨損。在一般情況下，后角變化不大，但有一個(gè)合理的數(shù)值，以利于提高刀具的耐用度。車削不銹鋼時(shí)，由于不銹鋼的彈性和塑性都比普通碳素鋼大，所以刀具后角過小會(huì)使切斷表面與車刀后角的接觸面積增大，摩擦產(chǎn)生的高溫區(qū)集中于車刀后角，加快車刀磨損，降低被加工表面光潔度，所以車削不銹鋼時(shí)的車刀后角要比車削普通碳鋼時(shí)稍大一些，但后角過大又會(huì)降低刀刃強(qiáng)度，直接影響車刀的耐用度，因此，一般情況下車刀后角宜取6°～10°。

　　3. 車刀主偏角Kr的選擇

　　當(dāng)切削深度ap 和進(jìn)給量f不變時(shí)，減小主偏角Kr可使散熱條件得到改善，減少刀具損壞，使刀具切入、切出平穩(wěn)。但主偏角減小又會(huì)使徑向力增大，在切削時(shí)容易引起振動(dòng)。車削不銹鋼的硬化傾向性強(qiáng)，易產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)又會(huì)使加工硬化嚴(yán)重。因此，主偏角一般宜取45°～90°。具體角度應(yīng)根據(jù)機(jī)床、零件、刀具系統(tǒng)的剛性和切削用量來選擇。

　　4. 車刀刃傾角λs的選擇

　　刃傾角可控制切屑流向，當(dāng)刃傾角λs為負(fù)值時(shí)，切屑流向已加工表面;當(dāng)刃傾角λs為正值時(shí)，切屑流向待加工表面。為了使切屑不劃傷已加工表面，在精加工時(shí)，刃傾角λs值為正值。當(dāng)λs為正值時(shí)，刀尖強(qiáng)度低并首先接觸工件，易損壞;當(dāng)λs為負(fù)值時(shí)，刀尖強(qiáng)度高，耐沖擊，可避免崩壞刀尖，切入、切出平穩(wěn)，車削不銹鋼時(shí)，一般刀具刃傾角宜取0°～20°。

　　三、切削用量的選擇

　　切削用量的大小對生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量有很大影響，因此在確定了刀具的幾何參數(shù)以后，還要選定合理的切削用量。在選擇切削用量時(shí)，應(yīng)注意考慮以下因素：一是要根據(jù)不銹鋼及各類毛坯的硬度等來選擇切削用量;二是要根據(jù)刀具材料、焊接質(zhì)量和車刀的刃磨條件來選擇切削用量;三是要根據(jù)零件直徑、加工余量和車床精度等來選擇切削用量。同時(shí)為了抑制積屑瘤和鱗刺的產(chǎn)生，提高表面質(zhì)量，在采用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行加工時(shí)，切削用量應(yīng)比車削一般碳鋼類工件稍低些，特別是切削速度不宜過高(vc=50～80m/min);切削深度ap不宜過小，以避免切削刃和刀尖劃過硬化層，ap=0.4～4mm;因此進(jìn)給量f對刀具耐用度影響不如切削速度大，但會(huì)影響斷屑和排屑，拉傷、擦傷工件表面，影響加工的表面質(zhì)量，進(jìn)給量一般取f=0.1～0.5mm/r。

　　不銹鋼尤其是奧氏體型不銹鋼的塑性較好，在切削加工時(shí)，產(chǎn)生的切屑難以折斷，加大了切屑與刀具前刀面之間的摩擦力，增大了切削力。同時(shí)，因加工硬化會(huì)增大被切削材料的硬度和強(qiáng)度，也導(dǎo)致切削力增大。為此，在合理選擇刀具材料、刀具的幾何角度和切削用量的基礎(chǔ)上，對不銹鋼和45鋼做了切削力對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同切削用量的情況下，加工不銹鋼時(shí)切削力比加工45鋼時(shí)只增加了8.5%。

　　合理選擇刀具材料、刀具幾何角度和切削用量，對于提高不銹鋼切削加工的生產(chǎn)效率和加工工件質(zhì)量是能夠?qū)崿F(xiàn)的。

　　不銹鋼的切削特點(diǎn)

　　不銹鋼的切削加工性比中碳鋼差得多。奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti的相對切削加工性為40%;鐵素體不銹鋼 1Cr28為48%;馬氏體不銹鋼2Cr13為55%。其中，以奧氏體和奧氏體+鐵素體不銹鋼的切削加工性差。不銹鋼在切削過程中有如下幾方面特點(diǎn)：

　　(1)加工硬化嚴(yán)重：在不銹鋼中，以奧氏體和奧氏體+鐵素體不銹鋼的加工硬化現(xiàn)象為突出。如奧氏體不銹鋼硬化后的強(qiáng)度σb達(dá)1470～1960 MPa，退火狀態(tài)的奧氏體不銹鋼σs不超過的σb30%～45%，而加工硬化后達(dá)85%～95%。加工硬化層的深度可達(dá)切削深度的1/3或更大;硬化層的硬度比原來的提高1.4～2.2倍。因?yàn)椴讳P鋼的塑性大，塑性變形時(shí)品格歪扭，強(qiáng)化系數(shù)很大;且奧氏體不夠穩(wěn)定，在切削應(yīng)力的作用下，部分奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體;再加上化合物雜質(zhì)在切削熱的作用下，易于分解呈彌散分布，使切削加工時(shí)產(chǎn)生硬化層。前一次進(jìn)給或前一道工序所產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重影響后續(xù)工序的順利進(jìn)行。

　　(2)切削力大：不銹鋼在切削過程中塑性變形大，尤其是奧氏體不銹鋼(其伸長率超過45號(hào)鋼的1.5倍以上)，使切削力增加。同時(shí)，不銹鋼的加工硬化嚴(yán)重，熱強(qiáng)度高，進(jìn)一步增大了切削抗力，切屑的卷曲折斷也比較困難。因此加工不銹鋼的切削力大，如車削1Cr18Ni9Ti的單位切削力為2450 MPa，比45號(hào)鋼高25%。

　　(3)切削溫度高：切削時(shí)塑性變形及與刀具間的摩擦都很大，產(chǎn)生的切削熱多;加上不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)約為45號(hào)鋼的1/2～1/4，大量切削熱都集中在切削區(qū)和刀-屑接觸的界面上，散熱條件差。在相同的條件下，1Cr18Ni9Ti的切削溫度比45號(hào)鋼高200℃左右。

　　(4)切屑不易折斷、易粘結(jié)：不銹鋼的塑性、韌性都很大，車加工時(shí)切屑連綿不斷，不僅影響操作的順利進(jìn)行，切屑還會(huì)擠傷已加工表面。在高溫、高壓下，不銹鋼與其他金屬的親和性強(qiáng)，易產(chǎn)生粘附現(xiàn)象，并形成積屑瘤，既加劇刀具磨損，又會(huì)出現(xiàn)撕扯現(xiàn)象而使已加工表面惡化。含碳量較低的馬氏體不銹鋼的這一特點(diǎn)更為明顯。

　　(5)刀具易磨損：切削不銹鋼過程中的親和作用，使刀-屑間產(chǎn)生粘結(jié)、擴(kuò)散，從而使刀具產(chǎn)生粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損，致使刀具前刀面產(chǎn)生月牙洼，切削刃還會(huì)形成微小的剝落和缺口;加上不銹鋼中的碳化物(如TiC)微粒硬度很高，切削時(shí)直接與刀具接觸、摩擦，擦傷刀具，還有加工硬化現(xiàn)象，均會(huì)使刀具磨損加劇。

　　(6)線膨脹系數(shù)大：不銹鋼的線膨脹系數(shù)約為碳素鋼的1.5倍，在切削溫度作用下，工件容易產(chǎn)生熱變形，尺寸精度較難控制。