不銹鋼的切削加工

　　隨著(zhù)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、導熱系數低、切削時(shí)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(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(chē)刀幾何參數和切削用量至關(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。根據不銹鋼的切削特點(diǎn)，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(lèi)，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(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(jiǎn)單的車(chē)刀類(lèi)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(lèi)(YG3、YG6、 YG8、YG3X、YG6X)，鎢鈷鈦類(lèi)(YT30、YT15、YT14、YT5)，通用類(lèi)(YW1、YW2)。YG類(lèi)硬質(zhì)合金的韌性和導熱性較好，不易與切屑粘結，因此適用于不銹鋼粗車(chē)加工;而YW類(lèi)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(chē)加工。加工 1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼時(shí)，不宜選用YT類(lèi)硬質(zhì)合金，由于不銹鋼中的Ti和YT類(lèi)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)刀具幾何參數是保證加工質(zhì)量、降低成本的有效途徑。

　　1. 車(chē)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(huì )使楔角減小，降低刀刃強度，造成崩刃，使刀具耐用度下降。車(chē)削不銹鋼時(shí)，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(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(chē)刀后角α0的選擇

　　在切削過(guò)程中，后角可以減小后刀面與切削表面的摩擦。若后角過(guò)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(guò)小，摩擦嚴重，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)合理的數值，以利于提高刀具的耐用度。車(chē)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(guò)小會(huì )使切斷表面與車(chē)刀后角的接觸面積增大，摩擦產(chǎn)生的高溫區集中于車(chē)刀后角，加快車(chē)刀磨損，降低被加工表面光潔度，所以車(chē)削不銹鋼時(shí)的車(chē)刀后角要比車(chē)削普通碳鋼時(shí)稍大一些，但后角過(guò)大又會(huì )降低刀刃強度，直接影響車(chē)刀的耐用度，因此，一般情況下車(chē)刀后角宜取6°～10°。

　　3. 車(chē)刀主偏角Kr的選擇

　　當切削深度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。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(chē)削不銹鋼的硬化傾向性強，易產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)又會(huì )使加工硬化嚴重。因此，主偏角一般宜取45°～90°。具體角度應根據機床、零件、刀具系統的剛性和切削用量來(lái)選擇。

　　4. 車(chē)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(shí)，切屑流向已加工表面;當刃傾角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λs為正值時(shí)，刀尖強度低并首先接觸工件，易損壞;當λs為負值時(shí)，刀尖強度高，耐沖擊，可避免崩壞刀尖，切入、切出平穩，車(chē)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以后，還要選定合理的切削用量。在選擇切削用量時(shí)，應注意考慮以下因素：一是要根據不銹鋼及各類(lèi)毛坯的硬度等來(lái)選擇切削用量;二是要根據刀具材料、焊接質(zhì)量和車(chē)刀的刃磨條件來(lái)選擇切削用量;三是要根據零件直徑、加工余量和車(chē)床精度等來(lái)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)，切削用量應比車(chē)削一般碳鋼類(lèi)工件稍低些，特別是切削速度不宜過(guò)高(vc=50～80m/min);切削深度ap不宜過(guò)小，以避免切削刃和刀尖劃過(guò)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上，對不銹鋼和45鋼做了切削力對比試驗。試驗結果表明，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)量是能夠實(shí)現的。

　　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?shī)W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(guò)程中有如下幾方面特點(diǎn)：

　　(1)加工硬化嚴重：在不銹鋼中，以?shī)W氏體和奧氏體+鐵素體不銹鋼的加工硬化現象為突出。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(guò)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(lái)的提高1.4～2.2倍。因為不銹鋼的塑性大，塑性變形時(shí)品格歪扭，強化系數很大;且?jiàn)W氏體不夠穩定，在切削應力的作用下，部分奧氏體會(huì )轉變?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)生的加工硬化現象嚴重影響后續工序的順利進(jìn)行。

　　(2)切削力大：不銹鋼在切削過(guò)程中塑性變形大，尤其是奧氏體不銹鋼(其伸長(cháng)率超過(guò)45號鋼的1.5倍以上)，使切削力增加。同時(shí)，不銹鋼的加工硬化嚴重，熱強度高，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(chē)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(shí)塑性變形及與刀具間的摩擦都很大，產(chǎn)生的切削熱多;加上不銹鋼的導熱系數約為45號鋼的1/2～1/4，大量切削熱都集中在切削區和刀-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：不銹鋼的塑性、韌性都很大，車(chē)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，易產(chǎn)生粘附現象，并形成積屑瘤，既加劇刀具磨損，又會(huì )出現撕扯現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(guò)程中的親和作用，使刀-屑間產(chǎn)生粘結、擴散，從而使刀具產(chǎn)生粘結磨損、擴散磨損，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，還有加工硬化現象，均會(huì )使刀具磨損加劇。

　　(6)線(xiàn)膨脹系數大：不銹鋼的線(xiàn)膨脹系數約為碳素鋼的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。