■山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 （山西長(zhǎng)治 046012） 宋燕林 鄧文星 馮奎兵 初宏婧 韓利萍

05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不銹鋼經(jīng)過時(shí)效和固溶態(tài)處理后，硬度高達(dá)35HRC，在精加工時(shí)，材料硬度高、黏度大，易造成刀具黏結(jié)和擴(kuò)散磨損等失效形式，導(dǎo)致加工成本居高不下。通過對(duì)材料和刀具失效形式進(jìn)行分析，降低加工過程中切削力和刀具在加工過程中的黏結(jié)和擴(kuò)散磨損。針對(duì)加工過程中的主軸功率較高，顫動(dòng)較大，創(chuàng)新性地定制高效銑刀，并對(duì)加工軌跡進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到預(yù)期加工效果。

1. 材料分析

沉淀硬化不銹鋼含有較高的鉻、鎳和很低的碳，還含有能起到沉淀硬化作用的銅、鉈及鈦等合金元素。這些元素能在回火時(shí)析出，產(chǎn)生沉淀硬化，使鋼具有很高的強(qiáng)度和硬度。由于它含碳量低，保證了足夠的含鉻量，從而具有了很強(qiáng)的耐腐蝕性能，固溶并進(jìn)行一次時(shí)效處理可最大限度獲得更多的馬氏體，組織更均勻，強(qiáng)化效果更好，是比較成熟和穩(wěn)定的沉淀硬化不銹鋼。05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不銹鋼中各元素含量碳（C）≤0.05%，鉻（Cr）17%，鎳（Ni）4%，銅（Cu）4%，鈮（Nb）0.15%～0.45%。

鉻為不銹耐酸鋼及耐熱鋼的主要合金元素，能提高材料的硬度、強(qiáng)度和耐磨性，降低伸長(zhǎng)率和斷面收縮率，并適當(dāng)增加鋼的淬透性，從而使鋼不會(huì)變脆，同時(shí)，鉻元素在時(shí)效過程中可起到二次硬化作用。

鎳元素是不銹鋼中僅次于鉻的重要合金元素，能提高材料的韌性和耐熱性，加入鎳元素后，可促進(jìn)不銹鋼鈍化膜的穩(wěn)定性，提高不銹鋼的熱力學(xué)穩(wěn)定性，還能大幅度提高不銹鋼的耐酸堿和腐蝕性。

在不銹鋼中加入銅元素，可微量提高材料的耐腐蝕能力，并在不銹鋼表面沉積下來，起到強(qiáng)化元素的作用，促使各元素發(fā)生沉淀硬化反應(yīng)，從而增加材料的抗拉強(qiáng)度。

鈮元素在不銹鋼中的作用主要有兩點(diǎn)，一是可以形成碳化物NbC，起細(xì)化晶粒作用，防止Cr元素與C元素形成碳化物而降低Cr元素在晶界中的含量，導(dǎo)致晶界腐蝕；二是與Ni形成金屬間化合物，在時(shí)效時(shí)析出。

通過以上材料分析可以得出，沉淀硬化不銹鋼具有高強(qiáng)度、高硬度、高黏度和抗腐蝕的特性，在切削加工中，其具有切削變形大、切削力大、切削溫度高、刀具磨損快、切屑不易折斷、易產(chǎn)生積屑瘤及線膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)，切削表面和已加工表面硬化現(xiàn)象非常嚴(yán)重。

2. 加工刀具分析

1）由上述沉淀硬化不銹鋼切削特點(diǎn)可以得出，切削沉淀硬化不銹鋼的刀具材料要求耐熱性高，耐磨性好，且與不銹鋼親和力作用小。切削刀具主要承受磨料磨損、黏結(jié)磨損和氧化磨損。所以在選擇硬質(zhì)合金刀片時(shí)，制造刀片的粉末粒徑應(yīng)屬于大顆粒粒徑，大顆粒粒徑較小顆粒粒徑在制作的基體上有更好的韌性、耐沖擊性及耐磨性。

2）硬質(zhì)合金涂層作為硬質(zhì)合金刀具的一個(gè)重要組成部分，其涂層的材質(zhì)和涂層方式的好壞直接決定了刀具的切削性能和耐用度。根據(jù)沉淀硬化不銹鋼的切削特點(diǎn)，加工此類材料的刀具，既要化學(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化磨損能力強(qiáng)，又要具有很好的耐磨性和抗彎強(qiáng)度，所以選擇具備上述性能的Al2O3和TiAlN復(fù)合涂層。A l2O3涂層屬于非金屬涂層，抗黏結(jié)磨損強(qiáng)，TiAlN涂層會(huì)在表面形成一層極薄的非晶態(tài)A l2O3硬質(zhì)惰性保護(hù)膜，從而起到抗氧化和抗磨損作用。為達(dá)到上述刀片性能，刀片涂層方式采用物理氣相沉積法（P V D），此涂層方式可使涂層材料結(jié)合牢固，組織致密，保持原有強(qiáng)度韌性不受影響，涂層結(jié)束后，為提高整體的加工效果，對(duì)刀片進(jìn)行整體拋光，使切屑更流暢，切屑不易在刀具表面停留和黏結(jié)，切削熱可及時(shí)排走，避免切削刀具的黏結(jié)磨損和氧化磨損。

3）切削沉淀不銹鋼刀具的幾何參數(shù)：前角，切削沉淀硬化不銹鋼時(shí)，因其塑性高、韌性大及熱強(qiáng)性高，為減少變形及加工硬化現(xiàn)象，降低切削力和切削溫度，在保證刀具切削刃強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量采用較大的刀具前角，使切削刃鋒利，針對(duì)馬氏體沉淀硬化不銹鋼，刀具前角宜采用較大值，考慮到刀具后刀面與工件的摩擦和加工硬化，應(yīng)選擇10°～15°為宜。

4）加工刀片對(duì)比：經(jīng)過選型后，某刀片材質(zhì)符合生產(chǎn)需求，該刀片后角為15°，經(jīng)過實(shí)際切削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)刀具徑向切削線較長(zhǎng)，單位長(zhǎng)度內(nèi)切削力大，為此，對(duì)現(xiàn)有刀具狀態(tài)進(jìn)行二次定制，將刀片傾斜角由原來的7.2°改為4.75°，切削線長(zhǎng)度由6.77mm增加到9.83mm，切削線長(zhǎng)度增加了45%，單位切削線長(zhǎng)度內(nèi)切削力會(huì)降低30%，刀具耐沖擊性會(huì)進(jìn)一步提升，所以刀具改進(jìn)方案符合生產(chǎn)需求。改制前后刀片對(duì)比如圖1所示。

圖1 改制前后刀片對(duì)比

3. 典型零件加工

某橫梁體產(chǎn)品，長(zhǎng)1 200mm，寬220mm，粗加工熱處理后單邊余量3.5mm，該產(chǎn)品平面輪廓較多，尺寸精度高，形成5處開放槽結(jié)構(gòu)和兩處腔體結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品三維模型如圖2所示。

銑削沉淀硬化不銹鋼時(shí)，應(yīng)盡量采用順銑法，避免切入切出時(shí)在硬化層停頓后再切入，加劇刀具磨損。銑削平面時(shí)，采用不對(duì)稱順銑法，以保證切削刃平穩(wěn)地從工件中切離，切屑黏結(jié)接觸面積也比較小，在高速離心力作用下把切屑甩掉，以避免刀齒重新切入時(shí)有切屑黏貼，沖擊工件，損壞刀具。

（1）加工難點(diǎn)分析 產(chǎn)品的加工難點(diǎn)在于如圖2所示的眾多平面及開放槽，去除平面余量時(shí)，由于材料的高黏度和高硬度特性，刀具切削力大，機(jī)床顫動(dòng)大，容易引起刀具崩碎和黏連失效，甚至導(dǎo)致“悶車”。

（2）產(chǎn)品正面總體加工工藝分析 由于零件外形及材料的特殊性能，該件的加工選擇具有機(jī)加行業(yè)代表性的DMG MORI五軸加工中心，采用虎鉗裝夾。加工正面時(shí)，考慮到多特征導(dǎo)致的產(chǎn)品變形因素，首先選擇φ 63mm快進(jìn)給刀具進(jìn)行面開粗，開粗完平面后，對(duì)兩處凸臺(tái)側(cè)壁及總長(zhǎng)進(jìn)行開粗?？傮w開粗刀路軌跡如圖3所示，加工效果如圖4所示?？傮w開粗后選擇面銑刀對(duì)平面進(jìn)行光整，最后對(duì)4處開放槽進(jìn)行銑削。

圖2 橫梁體三維模型

圖3 總體開粗刀路

圖4 開粗實(shí)際效果

采用定制刀具后，對(duì)原有切削軌跡進(jìn)行優(yōu)化，采用動(dòng)態(tài)擺線銑削模式進(jìn)行開粗，動(dòng)態(tài)銑削時(shí)，刀具平滑切入，當(dāng)?shù)毒咔邢鲗挾扔尚∽兇蟮竭_(dá)最大切削寬度時(shí)，此時(shí)形成切削包角α（見圖5），包角越小，接觸弧長(zhǎng)越短，接觸面間所產(chǎn)生的摩擦力就越小，切削穩(wěn)定性也就越好，包角推薦值范圍建議≤120°，當(dāng)＞120°時(shí)，不論刀具性能如何，都會(huì)比＜120°所需的機(jī)床剛性和切削力更大，切削性能更差，刀具耐用度更低，當(dāng)＞180°時(shí)，不論何種切削方式，都會(huì)因?yàn)榍邢髁^大帶來很大的機(jī)床顫動(dòng)。

圖5 切削包角示意

（3）加工過程分析 加工中，定制版φ 63mm銑刀快進(jìn)給線速度高達(dá)200m/min，遠(yuǎn)高于廠家推薦的120m/min的線速度，擺線切削寬度初步設(shè)定為16mm，切削深度為0.7mm。根據(jù)加工過程中機(jī)床顫動(dòng)和主軸負(fù)載數(shù)據(jù)分析，擺線切削寬度仍未達(dá)到該刀具的合理范圍，經(jīng)過數(shù)次試驗(yàn)，將擺線切削寬度設(shè)定為23mm，切削包角為148°，此時(shí)進(jìn)給速度高達(dá)3 300mm/min，面開粗過程切削力穩(wěn)定，機(jī)床顫動(dòng)穩(wěn)定，刀具切削壽命高達(dá)120min，較之前的30min提高4倍，刀具成本降低一倍。

由于不銹鋼硬化嚴(yán)重，再切削時(shí)，刀具不要再切削表面停留，切入切出要迅速果斷，以免夾具切削表面硬化，給下一次入刀帶來困難。

開放槽加工時(shí)，由于兩處30mm槽槽寬窄，小刀加工時(shí)刀具懸伸長(zhǎng)、剛性差，在此選擇φ 20mm較大飛刀進(jìn)行開粗，原有加工工藝為淺切削深度，小進(jìn)給方式，實(shí)際加工中因?yàn)樾〉毒叩哪蜎_擊性較差，每加工一個(gè)開放槽就需要更換一次刀片，嚴(yán)重制約生產(chǎn)進(jìn)度，刀具成本居高不下。對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化后，采用剝銑加工方式，由于刀具與工件之間的徑向接觸區(qū)減小，刀具在切削過程中升溫時(shí)間縮短，冷卻時(shí)間延長(zhǎng)，所以刀具耐用度大幅度提高。槽加工如圖6所示。

優(yōu)化參數(shù)后， ae= 2 ～2.5m m，vc=110～130m/m i n，ap=3.3 ～3.8 m m，f=8 0 0 ～1 000mm/r，改進(jìn)后每組刀片可加工30mm槽6個(gè)，刀具耐用度大幅度提升，加工效率也較改進(jìn)前提升三倍，刀具成本降低83%。整體加工后效果如圖7所示。

圖6 槽加工效果

圖7 整體加工效果

4. 結(jié)語

通過此次研究改進(jìn)，突破了05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不銹鋼材料硬度高、黏刀嚴(yán)重等難加工問題，提高了零件的一次交驗(yàn)合格率，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，減少了產(chǎn)品在加工過程中由刀具等引起的不穩(wěn)定因素，使單件產(chǎn)品的時(shí)間成本降低了50%，刀具成本降低了60%。達(dá)到了降本增效的目的。