江蘇省自動化研究所 吳從好 于宏輝

不銹鋼材料切削加工的難點分析與解決方法

江蘇省自動化研究所 吳從好 于宏輝

新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)對零件的材料提出了更高的要求，所需材料有時必須滿足高硬度、高耐磨性、高韌性等特殊要求，由此產(chǎn)生了一批難加工材料，對加工工藝提出了更高的要求。本文以不銹鋼等難加工材料為對象，結(jié)合我所加工遇到的實際問題，分析不銹鋼的加工難點，并提出了切實有效的解決方法。

不銹鋼；切削加工；加工方法

1.引言

與優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼相比，不銹鋼材料加入了Cr、Ni、N、Nb、Mo等合金元素。這些合金元素的增加，不僅提高了鋼的耐蝕性，對不銹鋼的機械性能也有一定影響。如馬氏體不銹鋼4Cr13與45號中碳鋼相比，具有相同的含碳量，但相對切削加工性只有45鋼的58%；奧氏體不銹1Cr18Ni9Ti只有40%，而奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼韌性高、切削性更差。

2.不銹鋼材料切削難點分析

在實際加工中，切削不銹鋼往往伴隨著斷刀、粘刀現(xiàn)象的發(fā)生。由于不銹鋼在切削時塑性變形大，產(chǎn)生的切屑不易折斷、易粘結(jié)，導(dǎo)致在切削過程中加工硬化嚴重，每一次走刀都對下一次切削產(chǎn)生硬化層，經(jīng)過層層積累，不銹鋼在切削過程中的硬度越來越大，需要的切削力也隨之升高。

加工硬化層的產(chǎn)生、切削力的增高必然導(dǎo)致刀具與工件之間的摩擦增大，切削溫度也隨之升高。并且，不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)較小，散熱條件差，大量切削熱集中刀具與工件之間，使已加工表面惡化，嚴重影響了已加工表面的質(zhì)量。而且，切削溫度的升高會加劇刀具磨損，使刀具前刀面產(chǎn)生月牙洼，切削刃產(chǎn)生缺口，從而影響工件表面質(zhì)量，降低了工作效率，增加了生產(chǎn)成本。

3.提高不銹鋼加工質(zhì)量的方法

由上可以看出，不銹鋼的加工比較困難，切削時易產(chǎn)生硬化層，容易斷刀；產(chǎn)生的切屑不易折斷，導(dǎo)致粘刀，會加劇刀具的磨損。針對不銹鋼這些切削特點，結(jié)合生產(chǎn)實際，我們從刀具材料、切削參數(shù)及冷卻方式三方面入手，找到提高不銹鋼加工質(zhì)量的方法。

3.1 刀具材料的選擇

選擇合適的刀具是加工出高質(zhì)量零件的基礎(chǔ)。刀具太差，加工不出合格的零件；選擇過好的刀具，雖然能滿足零件的表面質(zhì)量要求，但容易造成浪費，提高了生產(chǎn)成本。結(jié)合不銹鋼切削時散熱條件差、產(chǎn)生加工硬化層、易粘刀等特點，選擇的刀具材料應(yīng)滿足耐熱性好、耐磨性高、與不銹鋼親和作用小的特點。

3.1.1 高速鋼

高速鋼是加入W、Mo、Cr、V、Go等合金元素的高合金工具鋼，具有較好的工藝性能，強度和韌性配合好，抗沖擊振動的能力較強。在高速切削產(chǎn)生高熱情況下（約500℃）仍能保持高的硬度（HRC仍在60以上），高速鋼紅硬性好，適合制作銑刀、車刀等銑削刀具，可以滿足不銹鋼切削時產(chǎn)生的硬化層及散熱性差等切削環(huán)境。

W18Cr4V是最典型的高速鋼刀具，自1906年誕生以來，已經(jīng)被廣泛制作成各種刀具以滿足切削加工的需要。但隨著各種被加工材料機械性能的不斷提高，W18Cr4V刀具已經(jīng)不能滿足難加工材料的加工要求。高性能的鈷高速鋼應(yīng)時而生。與普通高速鋼相比，鈷高速鋼具有更好的耐磨性、紅硬性和使用的可靠性，適合高切除率加工和斷續(xù)切削加工，常用牌號如W12Cr4V5Co5。

3.1.2 硬質(zhì)合金鋼

硬質(zhì)合金是以高硬度難熔金屬的碳化物（WC、TiC）微米級粉末為主要成分，以鈷或鎳、鉬為粘結(jié)劑，在真空爐或氫氣還原爐中燒結(jié)而成的粉末冶金制品。硬質(zhì)合金具有強度和韌性較好，耐熱、耐磨、耐腐蝕、硬度高等一系列優(yōu)良性能。在500℃的溫度下也基本保持不變，在1000℃時仍有很高的硬度，適合不銹鋼、耐熱鋼等難加工材料的切削加工。常見硬質(zhì)合金主要分為三類：YG類（鎢鈷類硬質(zhì)合金）、YT類（鎢鈦鈷類）、YW類（鎢鈦鉭（鈮）類），這三種合金的成分不同，用途也有很大差別。其中YG類硬質(zhì)合金由于具有較好的韌性，導(dǎo)熱性也較好，可以選擇較大的前角，適合不銹鋼的切削。

3.2 切削不銹鋼刀具幾何參數(shù)的選擇

1）前角?o：結(jié)合不銹鋼強度高、韌性好、切削時切屑不易被切離等特點，在保證刀具有足夠強度的前提下，應(yīng)選用較大的前角，這樣既可以減小加工對象的塑性變形，也能夠降低切削溫度和切削力，同時減少硬化層的產(chǎn)生。

2）后角αo：增加后角將減小加工表面與后刀面的摩擦，但切削刃的散熱能力和強度也隨之降低。后角的大小取決于切削厚度，切削厚度大時，宜選較小后角。

3）主偏角kr、副偏角k′r、：主偏角kr的減小可增加刀刃工作長度，有利于散熱，但在切削時會增加徑向力，容易產(chǎn)生振動，常取kr值為50°～90°，若機床剛性不足，可適當加大。副偏角常取k′r=9°～15°。

4）刃傾角λs：為了增加刀尖強度，刃傾角一般取λs=7°～-3°。

3.3 切削液和冷去方式的選擇

由于不銹鋼的切削加工性較差，對切削液的冷卻、潤滑、滲透及清洗性能有更高的要求，常用的切削液有以下幾類：

1）乳化液：比較常見的冷卻方式，具有較好的冷卻、清洗、潤滑性能，常用于不銹鋼粗車。

2）硫化油：切削過程中能在金屬表面形成高熔點硫化物，而且在高溫下不易破壞，具有良好的潤滑作用，并有一定的冷卻效果，一般用于鉆孔、鉸孔及攻絲。

3）機油、錠子油等礦物油：其潤滑性能較好，但冷卻和滲透性較差，適用于外圓精車。

在切削加工過程中應(yīng)使切削液噴嘴對準切削區(qū)，或最好采用高壓冷卻，噴霧冷卻等冷卻方式。

4.以把手為例子，分析不銹鋼銑削過程中的加工方法

圖1 零件外形圖

該零件雖然結(jié)構(gòu)簡單，但零件材料為1Cr18Ni9Ti，屬于奧氏體不銹鋼，厚度12，切削量較大，加工硬化嚴重。若采用逆銑，則刀齒先在已經(jīng)硬化的表面上滑行，加工硬化會更嚴重，所以此零件最好采用順銑加工外形尺寸，以便減小加工硬化以及銑削時帶來的沖擊、振動，保護銑刀刀齒不易崩刃。不對稱順銑法能保證切削刃平穩(wěn)地從金屬中切離，切屑粘結(jié)接觸面積小，在高速離心力的作用下易被甩掉，以免刀齒重新切入工件時，切屑沖擊前刀面產(chǎn)生剝落和崩刃現(xiàn)象，提高刀具的耐用度，零件外形圖見圖1。

另外，選用哪種銑刀呢？針對上述不銹鋼難加工的特點，我們發(fā)現(xiàn)銑削不銹鋼的刀具應(yīng)滿足以下這些特點：切削刃要鋒利，又要能承受沖擊，容屑槽也要大。結(jié)合零件外形尺寸以及我所的實際生產(chǎn)，選用大螺旋角銑刀（包括圓柱銑刀、立銑刀）能夠滿足上述條件，同時若把所選刀具螺旋角從20°增加到40°，刀具耐用度也可提高1.5倍以上。

選擇高速鋼立銑刀，銑刀直徑16，轉(zhuǎn)速300r/min，進給量37.5mm/min銑出六面尺寸。由于不銹鋼銑削時產(chǎn)生大量的熱量，故應(yīng)選擇合適的冷卻方式。理論上采用噴霧冷卻法效果最為顯著，可提高銑刀耐用度一倍以上，但這種冷卻方式不適用于我們的工作場所，故這里采用10%乳化液冷卻，并保證切削液流量達到充分冷卻。鉗工劃出外形線，需要銑零件的外形尺寸。分析零件內(nèi)腔有2-R4內(nèi)角，需選用直徑為8的銑刀。由于銑刀直徑較小，轉(zhuǎn)速高，故應(yīng)選擇刀耐熱性好、耐磨性高、與不銹鋼的親和作用小的硬質(zhì)合金鋼。因為硬質(zhì)合金鋼具有較高的硬度（70～175HRC），耐850℃～1000℃的高溫，具有良好的耐磨性和耐熱性以及高硬度，其切削速度也比高速鋼刀具提高2到3倍，正適合這里的高速切削。加工過程中應(yīng)勤于觀察，及時清除刀齒周圍的粘屑，防止粘刀，避免損傷已加工面。

5.結(jié)語

綜上所述，雖然不銹鋼的切削性差，具有加工硬化嚴重、切削力大、導(dǎo)熱系數(shù)低、易粘刀、易磨損刀具等缺點，但只要找到合適的加工方法，采用合適的刀具、切削方式以及切削用量，選擇合適的冷卻液，在工作中勤于思考，不銹鋼等難加工材料也就迎“刃”而解了。

吳從好，江蘇贛榆人，大學本科，助理工程師，主要研究方向：機械制造工藝。