不銹鋼的切削加工

　　隨著航空、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(shù)低、切削時塑性變形大、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，也會損傷已加工表面，影響工件的質量。為提高加工效率和工件質量，正確選擇刀具材料、車刀幾何參數(shù)和切削用量至關重要。

　　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(jù)不銹鋼的切削特點，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合金和高速鋼兩大類，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。對于較簡單的車刀類刀具，刀具材料應選用強度高、導熱性好的硬質合金，因其硬度、耐磨性等性能優(yōu)于高速鋼。常用的硬質合金材料有：鎢鈷類(YG3、YG6、 YG8、YG3X、YG6X)，鎢鈷鈦類(YT30、YT15、YT14、YT5)，通用類(YW1、YW2)。YG類硬質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加工;而YW類硬質合金的硬度、耐磨性、耐熱性以及韌性都較好，適合于不銹鋼的精車加工。加工 1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼時，不宜選用YT類硬質合金，由于不銹鋼中的Ti和YT類硬質合金中的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，合理選擇和改進刀具幾何參數(shù)是保證加工質量、降低成本的有效途徑。

　　1. 車刀前角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。但是增大前角會使楔角減小，降低刀刃強度，造成崩刃，使刀具耐用度下降。車削不銹鋼時，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. 車刀后角α0的選擇

　　在切削過程中，后角可以減小后刀面與切削表面的摩擦。若后角過大，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;若后角過小，摩擦嚴重，則會使刃口變鈍，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，但有一個合理的數(shù)值，以利于提高刀具的耐用度。車削不銹鋼時，由于不銹鋼的彈性和塑性都比普通碳素鋼大，所以刀具后角過小會使切斷表面與車刀后角的接觸面積增大，摩擦產(chǎn)生的高溫區(qū)集中于車刀后角，加快車刀磨損，降低被加工表面光潔度，所以車削不銹鋼時的車刀后角要比車削普通碳鋼時稍大一些，但后角過大又會降低刀刃強度，直接影響車刀的耐用度，因此，一般情況下車刀后角宜取6°～10°。

　　3. 車刀主偏角Kr的選擇

　　當切削深度ap 和進給量f不變時，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(wěn)。但主偏角減小又會使徑向力增大，在切削時容易引起振動。車削不銹鋼的硬化傾向性強，易產(chǎn)生振動，振動又會使加工硬化嚴重。因此，主偏角一般宜取45°～90°。具體角度應根據(jù)機床、零件、刀具系統(tǒng)的剛性和切削用量來選擇。

　　4. 車刀刃傾角λs的選擇

　　刃傾角可控制切屑流向，當刃傾角λs為負值時，切屑流向已加工表面;當刃傾角λs為正值時，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，刃傾角λs值為正值。當λs為正值時，刀尖強度低并首先接觸工件，易損壞;當λs為負值時，刀尖強度高，耐沖擊，可避免崩壞刀尖，切入、切出平穩(wěn)，車削不銹鋼時，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)效率和加工質量有很大影響，因此在確定了刀具的幾何參數(shù)以后，還要選定合理的切削用量。在選擇切削用量時，應注意考慮以下因素：一是要根據(jù)不銹鋼及各類毛坯的硬度等來選擇切削用量;二是要根據(jù)刀具材料、焊接質量和車刀的刃磨條件來選擇切削用量;三是要根據(jù)零件直徑、加工余量和車床精度等來選擇切削用量。同時為了抑制積屑瘤和鱗刺的產(chǎn)生，提高表面質量，在采用硬質合金刀具進行加工時，切削用量應比車削一般碳鋼類工件稍低些，特別是切削速度不宜過高(vc=50～80m/min);切削深度ap不宜過小，以避免切削刃和刀尖劃過硬化層，ap=0.4～4mm;因此進給量f對刀具耐用度影響不如切削速度大，但會影響斷屑和排屑，拉傷、擦傷工件表面，影響加工的表面質量，進給量一般取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，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，因加工硬化會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，加工不銹鋼時切削力比加工45鋼時只增加了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)效率和加工工件質量是能夠實現(xiàn)的。

　　不銹鋼的切削特點

　　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，以奧氏體和奧氏體+鐵素體不銹鋼的切削加工性差。不銹鋼在切削過程中有如下幾方面特點：

　　(1)加工硬化嚴重：在不銹鋼中，以奧氏體和奧氏體+鐵素體不銹鋼的加工硬化現(xiàn)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的提高1.4～2.2倍。因為不銹鋼的塑性大，塑性變形時品格歪扭，強化系數(shù)很大;且奧氏體不夠穩(wěn)定，在切削應力的作用下，部分奧氏體會轉變?yōu)轳R氏體;再加上化合物雜質在切削熱的作用下，易于分解呈彌散分布，使切削加工時產(chǎn)生硬化層。前一次進給或前一道工序所產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象嚴重影響后續(xù)工序的順利進行。

　　(2)切削力大：不銹鋼在切削過程中塑性變形大，尤其是奧氏體不銹鋼(其伸長率超過45號鋼的1.5倍以上)，使切削力增加。同時，不銹鋼的加工硬化嚴重，熱強度高，進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(shù)約為45號鋼的1/2～1/4，大量切削熱都集中在切削區(qū)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，車加工時切屑連綿不斷，不僅影響操作的順利進行，切屑還會擠傷已加工表面。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(xiàn)象，并形成積屑瘤，既加劇刀具磨損，又會出現(xiàn)撕扯現(xiàn)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更為明顯。

　　(5)刀具易磨損：切削不銹鋼過程中的親和作用，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，切削時直接與刀具接觸、摩擦，擦傷刀具，還有加工硬化現(xiàn)象，均會使刀具磨損加劇。

　　(6)線膨脹系數(shù)大：不銹鋼的線膨脹系數(shù)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。