錢 偉 薛 鵬

（中國工程物理研究院電子工程研究所，綿陽 621900）

小型不銹鋼精密零件的數(shù)控銑削方法

錢 偉 薛 鵬

（中國工程物理研究院電子工程研究所，綿陽 621900）

奧氏體不銹鋼零件材料的切削加工性較差，尤其是小型精密零件的加工一直以來都是機(jī)械加工技術(shù)的難點(diǎn)。數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展為解決不銹鋼精密零件加工精度一致性差、效率低的問題提供了有效的途徑。根據(jù)該類零件多年的加工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合數(shù)控加工的優(yōu)勢(shì)，從分析零件材料性能特點(diǎn)著手，從加工路線、刀具選擇、工藝方案等方面提出了綜合解決方案，并通過生產(chǎn)實(shí)例驗(yàn)證了該類零件數(shù)控銑削加工方案的有效性。

不銹鋼，精密零件，數(shù)控銑削

奧氏體不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）精密零件具有機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性好、耐腐蝕、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、儀器儀表等精密機(jī)械領(lǐng)域。但奧氏體不銹鋼材料的強(qiáng)度高、塑性大，切削加工性能差，屬難加工材料，加工過程中存在著切削力大、加工振動(dòng)明顯、刀具耐用度低、加工尺寸一致性差、生產(chǎn)效率較低等問題。

近年來，隨著數(shù)控設(shè)備的引進(jìn)和先進(jìn)刀具的采用，先進(jìn)數(shù)控設(shè)備承擔(dān)了大量不銹鋼零件的加工任務(wù)，為解決上述問題，更好地發(fā)揮數(shù)控加工生產(chǎn)效率高和精度高的優(yōu)勢(shì)，本文以某小型精密零件為實(shí)例，從材料性能及零件加工難點(diǎn)、加工方法改進(jìn)、刀具及切削用量的選擇等方面對(duì)不銹鋼材料零件的加工進(jìn)行了探索，以期達(dá)到提高該類零件數(shù)控加工質(zhì)量穩(wěn)定性、提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率的目的。

1 材料性能及零件加工難點(diǎn)分析

圖1所示的零件為典型的不銹鋼精密零件，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包含多個(gè)孔、臺(tái)階、凹槽等要素，且呈不對(duì)稱結(jié)構(gòu)；零件部分尺寸精度達(dá)IT8級(jí)，各安裝定位面表面粗糙度達(dá)Ra1.6。在上述技術(shù)要求條件下，需要使用鉆頭、銑刀、鏜刀等10余把刀具、劃分近20個(gè)加工工步才能完成零件加工，任何刀具或工步出現(xiàn)問題，均可能會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量問題。

奧氏體不銹鋼綜合性能較好，但其強(qiáng)度高，塑性大、加工硬化現(xiàn)象明顯，在銑削加工時(shí)存在以下難點(diǎn)：一是，由于奧氏體不銹鋼強(qiáng)度高、塑性大，材料不易被切離，造成切削力大，比中碳鋼（45#）切削力大25%；二是，奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)僅為中碳鋼的1/3，銑削溫度高，使得銑削加工條件惡化；三是，由于材料加工硬化趨勢(shì)嚴(yán)重，再加上銑削是斷續(xù)切削，沖擊、振動(dòng)大，使得銑刀容易磨損和崩刃，在使用小直徑立銑刀時(shí)，易出現(xiàn)“打刀”（折斷）現(xiàn)象。此外，不銹鋼材料在銑削加工過程中會(huì)引起刀具耐用度下降，造成零件尺寸控制不準(zhǔn)、表面粗糙度達(dá)不到要求。

綜上所述，在零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工工步多、材料加工難度大的情況下，應(yīng)采取切實(shí)有效的措施，以保證加工過程質(zhì)量穩(wěn)定，提高產(chǎn)品合格率。

2 數(shù)控銑削加工應(yīng)采取的措施

針對(duì)奧氏體不銹鋼材料的加工特點(diǎn)，通過對(duì)近年來數(shù)控加工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不斷總結(jié)，可從加工路線的改進(jìn)、刀具的正確選用、切削用量的合理選擇、冷卻潤滑液及其施加方式的改進(jìn)等方面采取措施。

2.1 加工方法的改進(jìn)

2.1.1 采用順銑加工路線

由于不銹鋼材料的塑性變形大、切削溫度高、加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，采用逆銑加工路線時(shí)，會(huì)進(jìn)一步增加加工硬化效應(yīng)，而且刀齒需從已加工表面的加工硬化層滑行一段距離才能切入工件，刀刃也會(huì)由于這種滑行摩擦而易于磨損。此外，在加工如圖1所示零件的內(nèi)拐角處時(shí)，逆銑還會(huì)進(jìn)一步增大切削力，使刀具產(chǎn)生“深啃”現(xiàn)象，造成尺寸控制不準(zhǔn)，而且易使小直徑刀具折斷。

若在加工中采用順銑的加工路線，可以使切屑粘結(jié)接觸面減小，切屑在脫離工件時(shí)對(duì)刀刃的壓力減小，容易甩出，從而減小切削力，使切削過程更平穩(wěn)，減弱已加工表面的硬化現(xiàn)象；刀具切入工件的待加工表面而不在硬化層中擠刮，可提高刀具耐用度，獲得較小的表面粗糙度。

在數(shù)控加工中，機(jī)床主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)的反向間隙微小，機(jī)床剛度能夠滿足不銹鋼材料的加工要求，不會(huì)產(chǎn)生順銑帶來的“竄動(dòng)”，降低了刀具折斷風(fēng)險(xiǎn)，因此，在保證夾具剛度和工件可靠安裝的前提下，可以采用順銑的加工方法。

2.1.2 遵循粗、精加工分開的原則

粗、精加工分開是指銑削不銹鋼零件時(shí)，在工件的一次裝夾中采用粗、精兩套刀具分別完成粗、精加工。其優(yōu)點(diǎn)是：可以根據(jù)粗、精加工的特點(diǎn)選用性能不同的刀具（如刀具精度、幾何參數(shù)、材質(zhì)等）；精加工刀具僅參與零件的精加工，有利于保證工件的尺寸精度和獲得良好的表面質(zhì)量。

粗銑后留下的精加工余量要確保均勻且略大于材料的加工硬化層，以減少精加工刀具負(fù)荷和形狀誤差復(fù)映現(xiàn)象，延長刀具壽命，提高加工精度的穩(wěn)定性。

2.2 刀具的正確選用

2.2.1 刀具材料的選擇

目前，適用于不銹鋼加工的刀具材料有高速鋼和硬質(zhì)合金兩種。高速鋼銑刀易于制造、成本低、刃磨鋒利、韌性好但耐磨性差；硬質(zhì)合金銑刀制造工藝復(fù)雜、成本相對(duì)較高，在高速切削（≥40m/min）條件下具有較好的耐磨性，有利于穩(wěn)定零件的尺寸精度。

考慮到數(shù)控加工的特點(diǎn)和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性，可確定如下原則：粗加工時(shí)使用高性能高速鋼銑刀（如含V、Mo、Al的高速鋼），因?yàn)楦咝阅芨咚黉撱姷兜牡度休^為鋒利，而粗加工時(shí)的對(duì)刀精度要求低，對(duì)刀容易，輔助時(shí)間短，生產(chǎn)成本低；精加工時(shí)，使用高精度涂層硬質(zhì)合金立銑刀（如TiAlCrN、TiAlN涂層），可以高速切削且零件加工精度保持連續(xù)穩(wěn)定，一般情況下可完成數(shù)十甚至數(shù)百件產(chǎn)品的精加工。

2.2.2 刀具幾何參數(shù)的選擇

在現(xiàn)有庫存中選擇刀具主要需考慮刀齒個(gè)數(shù)、前角（法向前角γo）和刀刃螺旋升角（β）等幾何參數(shù)。

在粗加工中，不銹鋼的切屑不易卷曲，應(yīng)選擇刀齒個(gè)數(shù)少、容屑槽大的刀具，使得排屑順利，減小切削阻力。以立銑刀為例，一般選擇三齒立銑刀。在精加工時(shí)，為增加切削平穩(wěn)性、提高表面質(zhì)量和加工效率，可選擇4齒～6齒硬質(zhì)合金銑刀。

銑刀前角增加可以減小切削力，使得切削輕快，排屑順利，有利于不銹鋼的加工，但前角過大，會(huì)減弱刀具刃口的強(qiáng)度和耐磨性，一般應(yīng)選擇法向前角為10°～20°的立銑刀（高速鋼刀具前角比硬質(zhì)合金刀具前角略大）。

螺旋升角β與刀具實(shí)際作用前角存在著密切關(guān)系：當(dāng)?shù)毒咔敖菫?°時(shí)，若β從20°增加到40°，實(shí)際作用前角可從11°增加到27°，所以，在加工不銹鋼時(shí)，采用大螺旋升角銑刀可使切削力小、加工平穩(wěn)、工件表面質(zhì)量高，一般β取35°～45°。

2.3 切削用量的選擇

由于不銹鋼材料的切削性能差、切削溫度高、刀具壽命短，所以，銑削不銹鋼的切削用量應(yīng)比加工普通碳鋼時(shí)要低。以直柄立銑刀為例，切削用量的一般選擇原則參見表1。

表1 立銑刀加工不銹鋼的切削用量選擇

2.4 充分的冷卻潤滑

充分的冷卻潤滑可顯著延長刀具壽命，提高工件表面質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)中，可選擇不銹鋼專用切削油作為冷卻液，并配合機(jī)床主軸高壓中心出水功能（壓力大于2MPa），將切削油高壓噴至切削區(qū)，進(jìn)行強(qiáng)制冷卻潤滑，以獲得良好的冷卻潤滑效果。

3 上述方法的實(shí)踐應(yīng)用

如前所述，通過對(duì)圖1所示零件的數(shù)控銑削工序進(jìn)行詳細(xì)的工藝分析和工序劃分，共需粗銑、鉆孔、精銑、鏜孔等20個(gè)工步，4種類型12把刀具才能完成該工序的加工。以零件上端6.50-0.03異形凸臺(tái)的加工為例，編寫了刀具、工藝清單，如表2所示，用以說明如何考慮和選擇加工方法，從而保證尺寸一致性和表面質(zhì)量。

4 結(jié)束語

對(duì)不銹鋼材料數(shù)控銑削方法的分析和加工實(shí)踐表明：在多品種、小批量生產(chǎn)條件下，采取上述加工方法完成小型不銹鋼精密零件數(shù)控銑削，能夠有效減少輔助工作時(shí)間，提高精加工刀具的耐用度，保證產(chǎn)品銑削質(zhì)量，工序零件交檢合格率達(dá)100%，生產(chǎn)效率得到了較大提高。

1 曾正明. 機(jī)械工程材料手冊(cè): 金屬材料[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010

2 楊建明. 數(shù)控加工工藝與編程[M]. 北京理工大學(xué)出版社, 2014

3 徐宏海. 數(shù)控機(jī)床刀具及其應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010

表2 XX零件數(shù)控銑削刀具、工藝清單

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