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用,而不銹鋼材料由于韌性大、熱強度高、導熱系數(shù)低、切削時塑性變形大、加工硬化嚴重、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,刀具材料應具備足夠的強度、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,形狀復雜的刀具主要采用高速鋼材料。由于高速鋼切削不銹鋼時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,刀具材料應選用強度高、導熱性好的硬質(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,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。但是增大前角會使楔角減小,降低刀刃強度,造成崩刃,使刀具耐用度下降。車削不銹鋼時,在不降低刀具強度的條件下,應把前角適當取大一些。在刀具前角大時其塑性變形小,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,刀具刃口強度下降,降低刀具耐用度;若后角過小,摩擦嚴重,則會使刃口變鈍,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,但有一個合理的數(shù)值,以利于提高刀具的耐用度。車削不銹鋼時,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,所以車削不銹鋼時的車刀后角要比車削普通碳鋼時稍大一些,但后角過大又會降低刀刃強度,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
當切削深度ap 和進給量f不變時,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)。但主偏角減小又會使徑向力增大,在切削時容易引起振動。車削不銹鋼的硬化傾向性強,易產(chǎn)生振動,振動又會使加工硬化嚴重。因此,主偏角一般宜取45°~90°。具體角度應根據(jù)機床、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,當刃傾角λs為負值時,切屑流向已加工表面;當刃傾角λs為正值時,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,刃傾角λs值為正值。當λs為正值時,刀尖強度低并首先接觸工件,易損壞;當λs為負值時,刀尖強度高,耐沖擊,可避免崩壞刀尖,切入、切出平穩(wěn),車削不銹鋼時,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,應注意考慮以下因素: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)合金刀具進行加工時,切削用量應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;因此進給量f對刀具耐用度影響不如切削速度大,但會影響斷屑和排屑,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,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,因加工硬化會增大被切削材料的硬度和強度,也導致切削力增大。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。試驗結(jié)果表明,在相同切削用量的情況下,加工不銹鋼時切削力比加工45鋼時只增加了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
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:
(1)加工硬化嚴重: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度σb達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85%~95%。加工硬化層的深度可達切削深度的1/3或更大;硬化層的硬度比原來的提高1.4~2.2倍。因為不銹鋼的塑性大,塑性變形時品格歪扭,強化系數(shù)很大;且奧氏體不夠穩(wěn)定,在切削應力的作用下,部分奧氏體會轉(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,使切削加工時產(chǎn)生硬化層。前一次進給或前一道工序所產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象嚴重影響后續(xù)工序的順利進行。
(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號鋼的1.5倍以上),使切削力增加。同時,不銹鋼的加工硬化嚴重,熱強度高,進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號鋼高25%。
(3)切削溫度高:切削時塑性變形及與刀具間的摩擦都很大,產(chǎn)生的切削熱多;加上不銹鋼的導熱系數(shù)約為45號鋼的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,車加工時切屑連綿不斷,不僅影響操作的順利進行,切屑還會擠傷已加工表面。在高溫、高壓下,不銹鋼與其他金屬的親和性強,易產(chǎn)生粘附現(xiàn)象,并形成積屑瘤,既加劇刀具磨損,又會出現(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)、擴散,從而使刀具產(chǎn)生粘結(jié)磨損、擴散磨損,致使刀具前刀面產(chǎn)生月牙洼,切削刃還會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,切削時直接與刀具接觸、摩擦,擦傷刀具,還有加工硬化現(xiàn)象,均會使刀具磨損加劇。
(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。