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不锈钢材料车削质量控制方案探讨 |
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作者：许昌烟草机械有限责任公司 郑俊杰 |
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我公司在近期的新产品试制中，一部分工件采用了不锈钢等难加工材料，如3Cr13、3Cr13Mo、40CrNiMo、9CrMoV等，以往也曾加工过此类材质工件，虽然生产效率低，但都是批次少，数量少，生产周期短。大批量投产后，问题暴露出来，刀具磨损严重，磨刀次数增多，停机时间和机床调整时间增加，工件表面粗糙度差，切屑不易卷曲和折断，划伤工件已加工表面，直接影响工件的质量。
以图1所示工件为例，工件材质为3Cr13Mo，工艺要求除Ra0.8µm各外圆留磨外，均由数控车床加工完成。3Cr13Mo钢强度、延伸率、断面收缩率、冲击性能等指标都比40钢和45钢高，是一种强度高、塑性好的中碳马氏体不锈钢。在工件试生产时，按车削普通碳钢的工艺方法对3Cr13Mo钢进行车削试验，其结果是切削时加工硬化严重，切削抗力大，切削温度高，且容易粘刀，产生积屑瘤，引起工件尺寸变化并影响工件形位公差和表面粗糙度。
图1 工件
针对上述问题，从多个方面采取措施，使工件加工表面达到图样要求的尺寸和表面粗糙度，且保证了较高的生产效率。
1 热处理改变材料的硬度
马氏体不锈钢在热处理后的不同硬度，对车削加工的影响很大。表1所示是采用YW2材料的车刀，车削热处理后不同硬度的3Cr13M。材质工件的情况。从表1中可以看出，退火状态的马氏体不锈钢虽然硬度低，但车削性能差，这是因为材料塑性和韧性大，组织不均匀，粘附、熔着性强，切削过程易产生刀瘤，不易获得较好的表面质量。而调质处理后硬度在30HRC以下的3Cr13Mo材质工件加工性较好，易达到较好的表面质量。而硬度大于30HRC的工件，表面质量虽然较好，但刀具易磨损，所以，在机加工前先进行调质处理，硬度达到25～30HRC，然后再进行切削加工。表1 YW2车刀车削不同硬度3Cr13Mo材质工件的切削参数及加工质量
| 材料状态 | 切削用量 | 刀具耐用度T
(min) | 加工表面粗糙度Ra
(µm) | ap
(mm) | Vc
(m/min) | f
(mm/r) | | 240HB(退火) | 3 | 45～55 | 0.3 | 90～115 | 6.3～3.2 | | 25～30HRC(调质) | 95～110 | 3.2 | | 35～38HRC(调质) | 60～75 |
2 刀具材料的选择
刀具材料的切削性能关系着刀具的耐用度和生产率，刀具材料的工艺性影响着刀具本身的制造与刃磨质量。
对刀具切削部分材料的选取原则是具有较高的耐磨性，并能在较高的温度下保持其切削性能。
目前常用的材料有:高速钢和硬质合金。由于高速钢只能在600℃以下保持其切削性能，而不锈钢切削时产生的高温往往高于60090，而硬质合金比高速钢具有更好的耐热性和耐磨性，因此用硬质合金材料制成的刀具更适合不锈钢的切削加工。在切削参数相同的条件下，对几种合金材料的刀具进行了车削对比试验，见表2。表2 不同刀具材料的对比试验
| 刀具材料 | 刀具的几何角度 | 切削用量 | 刀具耐用度T
(min) | 加工表面粗糙度Ra
(µm) | 前角g0
(°) | 后角a0
(°) | 主偏角kr
(°) | 刃倾角ls
(°) | ap
(mm) | Vc
(m/min) | f
(mm/r) | | YG8 | 15 | 8 | 90 | -10 | 3 | 45～55 | 0.3 | 72～82 | 3.2 | | 17 | 75～87 | | YT14 | 15 | 80～95 | | 17 | 82～96 | | YW2 | 15 | 90～110 | 3.2/6.3
(切断用) | | 17 | 92～115 | TiC-TiCN-TiN
复合涂层刀片 | 12
(刀片自
身角度) | -4
(刀片自
身角度) | 0.2 | 128～185 | 3.2～6.3 |
从表2中可看出，采用TiC-TiCN-TiN复合涂层刀片的外圆车刀，耐用度比较高，工件表面质量好，生产率高。这是因为这种涂层硬质合金材料的刀片，具有更好的强度和韧性，又因其表面具有更高的硬度和耐磨性，更小的摩擦因数和更高的耐热性，而成为车削不锈钢的良好刀具材料。限于不具备这种材料的切断刀片，通过表2的对比试验可知，YW2硬质合金的切削性能也较好，因此可选用YW2材料的刀片作为切断刀。
加工不锈钢时，由于切削力较大，故刀杆必须具备足够的强度和刚度，以免在切削过程中发生颤振和变形。这就要求选用适当的刀杆截面积，同时还应采用强度较高的材料来制造刀杆，如采用调质处理的45钢或50钢。
3 刀具的几何角度和结构的选取
选择合理的刀具几何角度也是非常重要的，因为刀具几何角度直接影响到刀具的切削性能，根据多年的加工经验发现，加工不锈钢时，刀具切削部分的几何形状，一般应从前角、后角方面的选择来考虑。
在选择前角时，要考虑卷屑槽型、有无倒棱和刃倾角的正、负角度大小等因素，因为前角g0直接影响刀具的强度、导热性及耐用度。从切削热的产生和散热方面考虑，增大前角可减小切削热的产生，切削温度不致于太高，刀具耐用度提高，但前角过大，则因刀头散热体积减小，散热差，切削温度反而升高，耐用度降低。减小前角可改善刀头散热条件，切削温度有可能降低，但前角过小，则切削变形严重，切削产生的热量不易散掉。一般情况下加工不锈钢时都采用较大的前角，增大刀具的前角，可减小切屑切离和清除过程中所遇到的阻力，所以刀具前角g0取15°～20°较为适宜。
对后角选择要求不十分严格，但不宜过小，后角过小容易和工件表面产生严重摩擦，使加工表面粗糙度恶化，加速刀具磨损，并且由于强烈摩擦，增强了不锈钢表面加工硬化的效应;刀具后角也不宜过大，后角过大，使刀具的楔角减小，降低了切削刃的强度，加速了刀具的磨损。通常，后角a0取5°～8°较合适，最大不超过10°。通常情况下刃倾角ls取-10°～-30°。负的刃倾角可保护刀尖，提高刀刃强度，但刃倾角ls绝对值增大时，参加切削的主切削刃长度增加，摩擦加剧，因此取ls为-10°。
主偏角kr应根据工件的形状、加工部位和装刀情况来选择。刀具切削部分表面粗糙度也是有要求的。降低刀具切削部分的表面粗糙度，可减少切屑形成卷曲时的阻力，提高刀具的耐用度，所以刃口表面粗糙度一般应为Ra0.4～0.2µm。
在刀具结构上，对外圆车刀采用Y型(外斜式)圆弧断屑槽，靠近刀尖处切屑卷曲半径大，靠近外缘处切屑卷曲半径小，切屑翻向待加工表面而折断，断屑情况好。
对于切断刀，将副偏角控制在1°以内，这样可以改善排屑条件，延长刀具的使用寿命。
4 切削用量的选取
切削用量对工件表面质量、刀具耐用度、加工生产率影响较大。而切削理论认为，切削速度Vc对切削温度和刀具耐用度的影响最大，进给量f次之，ap最小，而数控车床一次走刀加工的表面，ap值是由工件尺寸与材料毛坯尺寸来决定的，一般为0～5mm，由于图1所示工件尺寸较小，所以选取背吃刃量ap=3mm较为适宜。
难加工材料的切削速度往往比普通钢的切削速度低得多，因为速度的提高，就会使刀具严重磨损，而不同的不锈钢材料又有各自不同的最佳切削速度，这个最佳切削速度只能通过试验或查阅有关资料确定。对于加工3Cr13Mo材质工件，采用切削速度Vc=60～8Om/min。
进给量f对刀具耐用度影响不如切削速度大，但会影响断屑和排屑，从而影响工件表面的拉伤、擦伤，影响已加工的表面质量。f值大小通常取决于工件的直径、主轴转速以及加工工艺等，以车外圆和切断为例，参考值如表3所示。表3 车外圆和切断时进给量f参考值
工件直径D
(mm) | 粗车 | 精车 | 切断 | n
(r/min) | f
(mm/r) | n
(r/min) | f
(mm/r) | n
(r/min) | f
(mm/r) | | ≤10 | 1200～955 | 0.19～0.65 | 1200～955 | 0.07～0.20 | 1200～955 | 手动 | | >10～20 | 955～765 | 955～765 | 955～765 | | >20～40 | 765～480 | 0.27～0.81 | 765～480 | 0.10～0.31 | 765～600 | 0.10～0.25 | | >40～60 | 480～380 | 480～380 | 600～480 | | >60～80 | 380～305 | 380～305 | 480～305 | | >80～100 | 305～230 | 305～230 | 305～230 | 0.08～0.20 | | >100～150 | 230～185 | 230～185 | 230～150 | | >150～200 | 185～120 | 185～120 | ≤150 |
5 适用的冷却润滑液
车削不锈钢用的冷却润滑液，应该具有以下几个特点。
高的冷却性能，保证能带走大量的切削热。
不锈钢韧性大，切削时易产生刀瘤，恶化加工表面，这就要求冷却润滑液有高的润滑性能，能起到较好的润滑作用。
较好的渗透性，对不易被切离的切屑，能起到较好的楔裂作用、扩散和内润滑作用。
常用的加工不锈钢的冷却润滑液有硫化油、硫化豆油、煤油加油酸或植物油、四抓化碳加矿物油、乳化液等。
考虑到硫对机床有一定的腐蚀作用，植物油(如豆油)容易附在机床上结痴和变质。选用了四抓化碳与机油按重量比为1:9的混合物，其中四抓化碳渗透性好，机油的润滑性好。试验证明，这种冷却润滑液适用于表面粗糙度值要求小的不锈钢工件的半精加工和精加工，特别适合于马氏体类不锈钢工件的车加工。
6 结语
通过以上的措施，对图1所示3Cr13Mo材质工件的加工已完全达到正常状态。磨刀次数只有试生产时的1/3，生产效率也较刚开始时大大提高，工件质量完全达到图样要求。(end)
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(12/1/2007) |
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