| 关于不锈钢材料的切削 |
| 发布时间 : 2011/7/24 19:11:58 查看次数: |
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1.切削不锈钢时怎样选择刀具材料
合理选择刀具材料是保证高效率切削加工不锈钢的重要条件。根据不锈钢的切削特点，要求刀具材料应具有耐热性好、耐磨性高、与不锈钢的亲和作用小等特点。目前常用的刀具材料有高速钢和硬质合金。
高速钢的选择：高速钢主要用来制造铣刀、钻头、丝锥、拉刀等复杂多刃刀具。普通高速钢W18Cr4V使用时刀具耐用度很低已不符合需要，采用新型高速钢刀具切削不锈钢可获得较好的效果。
在相同的车削条件下，用W18Cr4V和95w18Cr4V两种材料的刀具加工1Cr17Ni2工件，刀具刃磨一次加工的件数分别为2～3件和12件，用95w18Cr4V的刀具耐用度提高了几倍。这是由于提高了钢的含碳量，从而增加了钢中碳化物含量，常温硬度提高2HRC红硬性更好，600℃时由W18Cr4V的HRC48.5上升到HRC51～52，耐磨性比W18Cr4V提高2～3倍。
应用高钒高速钢W12Cr4V4Mo制作型面铣刀加工1Cr17Ni2可以获得较高的刀具耐用度。因为含钒量增加，可在钢中形成硬度很高的VC，细小的VC存在于晶介，可以阻止晶粒长大，提高钢的耐磨性；W12Cr4V4Mo的红硬性很好，600℃时硬度可达HRC51.7，因此适合于制作切削不锈钢的各种复杂刀具。但其强度(sb=3140 MPa)及冲击韧性(ak=2.5 J/cm3)略低于W18Cr4V，使用时要稍加注意。
随着刀具制作技术的不断发展，对于批量大的工件，采用硬质合金多刃、复杂刀具进行切削加工效果会更好。
硬质合金的选择：YG类硬质合金的韧性较好，可采用较大的前角，刀刃也可以磨得锋利些，使切削轻快，且切屑与刀具不易产生粘结，较适于加工不锈钢。特别是在振动的粗车和断续切削时，YG类合金的这一优点更为重要。另外，YG类合金的导热性较好，其导热系数比高速钢高将近两倍，比YT类合金高一倍。因此YG类合金在不锈钢切削中应用较多，特别是在粗车刀、切断刀、扩孔钻及铰刀等制造中应用更为广泛。
较长时期以来，一般都采用YG6、YG8、YG8N、YW1、YW2等普通牌号的硬质合金作为切削不锈钢的刀具材料，但均不能获得较理想的效果；采用新牌号硬质合金如813、758、767、640、712、798、YM051、YM052、YM10、YS2T、YD15等，切削不锈钢可获得较好的效果。而用813牌号硬质合金刀具切削奥氏体不锈钢效果很好，因为813合金既具有较高的硬度(≥HRA91)、强度(sb=1570MPa)，又具有良好的高温韧性、抗氧化性、抗粘结性，其组织致密耐磨性好。
2.切削不锈钢时怎样选择刀具几何参数
- 前角g0：不锈钢的硬度、强度并不高，但其塑性、韧性都较好，热强性高，切削时切屑不易被切离。在保证刀具有足够强度的前提下，应选用较大的前角，这样不仅能够减小被切削金属的塑性变形，而且可以降低切削力和切削温度，同时使硬化层深度减小。
- 车削各种不锈钢的前角大致为12°～30°。对马氏体不锈钢(如2Cr13)，前角可取较大值；对奥氏体和奥氏体+铁素体不锈钢，前角应取较小值；对未经调质处理或调质后硬度较低的不锈钢，可取较大前角；直径较小或薄壁工件，宜采用较大的前角。
- 高速钢铣刀取gn=10°～20°，硬质合金铣刀取gn=5°～10°；铰刀一般取g0=8°～12°；丝锥一般取g0=15°～20°(机用)或g0=20°(手用)。
- 后角a0：加大后角能减小后刀面与加工表面的摩擦，但会使切削刃的强度和散热能力降低。后角的合理值取决于切削厚度，切削厚度小时，宜选较大后角。
- 不锈钢车刀或镗刀通常取a0=10°～20°(精加工)或a0=6°～10°(粗加工)；高速钢端铣刀取a0=10°～20°，立铣刀取a0=15°～20°；硬度合金端铣刀取a0=5°～10°，立铣刀取a0=12°～16°；铰刀和丝锥取a0=8°～12°。
- 主偏角kr、副偏角k′r，和re：减小主偏角可增加刀刃工作长度，有利于散热，但在切削过程中使径向力加大，容易产生振动，常取kr=45°～75°，若机床刚性不足，可适当加大。副偏角常取k′r=8°～15°。为了加强刀尖，一般应磨出e=0.5～1.0 mm的刀尖圆弧。
- 刃倾角ls：为了增加刀尖强度，刃倾角一般取ls=-8°～-3°，断续切削时取较大值ls=-15°～-5°。
- 生产实践中，为了加大切屑变形，提高刀尖强度与散热能力，采用双刃倾角车刀，取得了良好的断屑效果，也加宽了断屑范围，如图1所示。第一刃倾角ls1≥0°，第二刃倾角在接近刀尖部位，ls2≈-20°，第二刃倾角的刀刃长度lls2。≈ap/3。
- 当双刃倾角车刀的g0=20°、a0=6°～8°、kr=90°或75°、倒棱前角g01=-10°、re=0.15～0.2 mm时，在Vc=80～100 m/min、f=0.2～0.3 mm/r、ap=4～15 mm的条件下切削，断屑效果良好，刀具耐用度高。
- 要求刀具前后刀面的表面粗糙度值小，刀具磨钝标锥VB为加工一般材料的1/2。
3.切削不锈钢时怎样选择刀具断(卷)屑槽和刃口形式
切削不锈钢时还应选择合适的刀具断(卷)屑槽，以便控制连绵不断的切屑，通常采用全圆弧形或直线圆弧形断(卷)屑槽。断(卷)屑槽的宽度Bn=3～5 mm，槽深h=0.5～1.3 mm，Rn=2～8 mm。一般情况下，粗车时ap、f大，断(卷)屑槽宜宽而浅；精车时ap、f小，应窄而深些。断(卷)屑槽的形式见图2。
切削加工过程中，如果发生切屑缠绕在工件或刀具上的现象，表示断(卷)屑槽过宽过浅，可加大进给量，使切屑折断；如果切屑挤轧在槽内，发出吱吱叫声，或切屑飞溅伤人，表示断(卷)屑槽太窄太深，这时可减小进给量。同时还要注意控制断(卷)屑槽的位置。断(卷)屑槽的尺寸见表1、表2和表3。
表1 外圆车刀断(卷)屑槽尺寸
工件直径
(mm) |
半径Rn
(mm) |
宽度Bn
(mm) |
前角g0
(°) |
倒棱尺寸bg
(mm) |
| ≤20 |
1.5 |
2 |
42 |
精车：0.05～0.10
粗车：0.10～0.20 |
| 2.5 |
3 |
37 |
| 20～40 |
3 |
3 |
30 |
| 3.5 |
3.5 |
30 |
| 4 |
4 |
30 |
| ＞40～80 |
4 |
4 |
30 |
| 4.5 |
4.5 |
30 |
| 5 |
5 |
30 |
| ＞80～200 |
5.5 |
5 |
27 |
精车：0.10～0.20
粗车：0.15～0.30 |
| 6 |
5.5 |
27 |
| 6.5 |
6 |
27.5 |
| ＞200 |
6.5 |
6 |
27.5 |
| 7 |
6.5 |
27.5 |
| 7.5 |
7 |
27.5 | |
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表2 镗刀断(卷)屑槽尺寸
镗孔直径
(mm) |
半径Rn
(mm) |
加工1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢及中等硬度2Cr13马氏体不锈钢 |
加工耐浓硝酸不锈钢及较硬的2Cr13、3Cr13等马氏体不锈钢 |
| 宽度Bn (mm) |
前角g0 (°) |
宽度Bn (mm) |
前角g0 (°) |
| ≤20 |
1.6 |
2.0 |
39 |
1.6 |
30 |
| 2.0 |
2.5 |
39 |
2.0 |
30 |
| 2.5 |
3.0 |
37 |
2.5 |
30 |
| ＞20～40 |
2.0 |
2.5 |
39 |
2.0 |
30 |
| 2.5 |
3.0 |
37 |
2.5 |
30 |
| 3.0 |
3.5 |
36 |
2.8 |
28 |
| ＞40～60 |
4.0 |
4.0 |
30 |
3.2 |
24 |
| 4.5 |
4.5 |
30 |
3.5 |
23 |
| 5.0 |
5.0 |
30 |
4.0 |
24 |
| ＞60～80 |
4.5 |
4.5 |
30 |
3.5 |
23 |
| 5.0 |
5.0 |
30 |
4.0 |
24 |
| 6.0 |
6.0 |
30 |
5.0 |
24.5 |
| ＞80 |
5.0 |
4.0 |
24 |
3.5 |
20.5 |
| 6.0 |
5.0 |
24.5 |
4.5 |
22 |
| 7 |
6.0 |
25.5 |
5.0 |
21 | |
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表3 切断刀断(卷)屑槽尺寸
| 切断直径 (mm) |
≤20 |
＞20～50 |
＞50～80 |
＞80～120 |
| 半径Rn (mm) |
2.5 |
3.2 |
4.2 |
3.2 |
4.5 |
5.5 |
4.2 |
5.5 |
6.5 |
5.5 |
6.5 |
8 |
| 宽度Bn (mm) |
3 |
4 |
5 |
4 |
5 |
6 |
5 |
6 |
7 |
6 |
7 |
8 |
| 前角g0 (°) |
37 |
39 |
36.5 |
39 |
30.5 |
33 |
36.5 |
33 |
32.5 |
33 |
32.5 |
30 | |
4.切削不锈钢时怎样选择切削用量
切削用量对加工不锈钢时的加工硬化、切削力、切削热等有很大影响，特别是对刀具耐用度的影响较大。选择的切削用量合理与否，将直接影响切削效果。
表4 车螺纹和钻、扩、铰孔时的切削用量
| 工序名称 |
切削速度Vc
(m/min) |
进给量f
(mm/r) |
切削深度ap
(mm) |
| 车螺纹 |
20～50 |
- |
0.1～1 |
| 钻孔 |
12～20 |
0.1～0.25 |
≤17.5 |
| 扩孔 |
8～18 |
0.1～0.4 |
0.1～1 |
| 铰孔 |
2.5～5 |
0.1～0.2 |
0.1～0.2 |
| 注：刀具材料为高速钢 |
- 切削速度Vc：加工不锈钢时切削速度稍微提高一点，切削温度就会高出许多，刀具磨损加剧，耐用度则大幅度下降。
- 为了保证合理的刀具耐用度，就要降低切削速度，一般按车削普通碳钢的40%～60%选取。镗孔和切断时，由于刀具刚性、散热条件、冷却润滑效果及排屑情况都比车外圆差，切削速度还要适当降低。
- 不同种类的不锈钢的切削加工性各不相同，切削速度也需相应调整。一般1Cr18Ni9Ti等奥氏体不锈钢的切削速度校正系数Kv为1.0，硬度在HRC28以下的2cr13等马氏体不锈钢的Kv为1.3～1.5，硬度为HRC28～35的2Cr13等马氏体不锈钢的Kv为0.9～1.1，硬度在HRC35以上的2Cr13等马氏体不锈钢的Kv为0.7～0.8，耐浓硝酸不锈钢的Kv为0.6～0.7。
- 切削深度ap：粗加工时余量较大，应选用较大的切深，可减少走刀次数，同时可避免刀尖与毛坯表皮接触，减轻刀具磨损。但加大切深应注意不要因切削力过大而引起振动，可选ap=2～5 mm。精加工时可选较小的切削深度，还要避开硬化层，一般采用ap=0.2～0.5 mm。
- 进给量f：进给量的增大不仅受到机床动力的限制，而且切削残留高度和积屑瘤高度都随进给量的增加而加大，因此进给量不能过大。为提高加工表面质量，精加工时应采用较小的进给量。同时，应注意f不得小于0.1 mm/r，避免微量进给，以免在加工硬化区进行切削，并且应注意切削刃不要在切削表面停留。
加工不锈钢的切削用量见表4和表5。
表5 不锈钢的常用切削用量
工件
直径范围
(mm) |
车外圆 |
镗孔 |
切断 |
| 粗加工 |
精加工 |
主轴转速n
(m/min) |
进给量f
(mm/r) |
主轴转速n
(m/min) |
进给量f
(mm/r) |
主轴转速n
(m/min) |
进给量f
(mm/r) |
主轴转速n
(m/min) |
进给量f
(mm/r) |
| ≤10 |
1200～955 |
0.19～0.60 |
1200～955 |
0.10～0.20 |
1200～675 |
0.07～0.30 |
1200～955 |
手动 |
| ＞10～20 |
955～765 |
955～765 |
955～600 |
955～765 |
| ＞20～40 |
765～480 |
0.27～0.81 |
765～480 |
0.10～0.30 |
765～480 |
0.10～0.50 |
765～600 |
0.10～0.25 |
| ＞40～60 |
480～380 |
600～380 |
480～380 |
610～480 |
| ＞60～80 |
380～305 |
480～305 |
380～230 |
180～305 |
| ＞80～100 |
305～230 |
380～230 |
305～185 |
380～230 |
0.08～0.20 |
| ＞100～150 |
230～150 |
305～185 |
230～150 |
305～150 |
| ＞150～200 |
185～120 |
230～150 |
185～120 |
150以下 |
注：
- 工件材料：1Cr18Ni9Ti；刀具材料：YG8。
- 表中较小的直径选用较高的主轴转速，较大的直径选用较低的转速。
- 当工件材料和刀具材料不同时，主轴转速应根据具体情况作适当校正。
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5.切削不锈钢时怎样选择切削液和冷却方式？
由于不锈钢的切削加工性较差，对切削液的冷却、润滑、渗透及清洗性能有更高的要求，常用的切削液有以下几类：
- 硫化油：是以硫为极压添加剂的切削油。切削过程中能在金属表面形成高熔点硫化物，而且在高温下不易破坏，具有良好的润滑作用，并有一定的冷却效果，适用于一般车削、钻孔、铰孔及攻丝。硫化豆油适用于钻、扩、铰孔等工序。
- 直接硫化油的配方是：矿物油98%，硫2%。
- 间接硫化油的配方是：矿物油78%～80%，植物油或猪油18%～20%，硫1.7%。
- 机油、锭子油等矿物油：其润滑性能较好，但冷却和渗透性较差，适用于外圆精车。
- 植物油：如菜油、豆油等，其润滑性能较好，适用于车螺纹及铰孔、攻丝等工序。
- 乳化液：具有较好的冷却和清洗性能。也有一定的润滑作用，可用于不锈钢粗车。
在切削加工过程中应使切削液喷嘴对准切削区，或最好采用高压冷却、喷雾冷却等冷却方式。 |
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