平衡不锈钢加工中的关键因素

作者：山高刀具集团技术培训经理 Patrick de Vos

欢迎访问e展厅 展厅 1 车刀/镗刀展厅 车刀, 槽刀, 切断刀, 倒角刀, 镗刀, ... 不锈钢是一种多用途的工件材料，被广泛用于重视强度、耐热性和耐腐蚀性的应用场合。然而，这些属性在使不锈钢合金成为优质结构材料的同时，也使其难以加工成各种零件。通过综合考虑以下两项因素并在两者之间取得平衡，可以显著提升不锈钢加工的生产率：刀具的属性和槽型；应用较高的切削参数。 合金的进化史 基本的不锈钢合金分为铁素体合金和马氏体合金。铁素体合金的铬含量为 10-12%，不可硬化。马氏体合金的铬和碳含量要高于铁素体不锈钢，同时还添加了锰和硅，这种合金可通过热处理工艺进行硬化。目前，铁素体和马氏体不锈钢合金并未广泛用于工业环境，而是用于家居用品中，例如厨房或花园工具。 随着不锈钢的应用不断发展，不锈钢合金被频繁用于那些对机械强度和耐腐蚀性有着较高要求的应用场合。为了提高不锈钢合金的强度，冶金学家在其中添加了镍，从而使铁/铬合金变为铁/铬/镍合金。这些材料被称为奥氏体不锈钢，如今它们广泛用于那些对强度、耐腐蚀性和耐热性有着较高要求的工业场合中。该合金通常用于石化加工、为达到卫生标准而要求防腐蚀的食品行业以及在严苛环境条件下使用的通用机械。 此外，提高合金（如不锈钢）的性能也必然会大大增加合金加工的难度。铁素体和马氏体不锈钢合金的耐腐蚀性基本上属于化学特性，因此这些合金并不比普通钢件更难加工。然而，在奥氏体不锈钢中添加镍和其他元素会提高硬度、强度、抗变形能力和热属性，导致可加工性下降。 了解合金 直到最近，人们仍未真正掌握奥氏体不锈钢加工的奥秘。机床技工认为，由于合金的强度更高，机械切削力更大，因此应使用强度更高的负角槽型刀具进行加工，同时还应降低切削参数。然而，使用该方法会缩短刀具寿命、产生长切屑、频繁出现毛刺、表面粗糙度不尽人意以及产生不必要的振动。 实际上，切削奥氏体不锈钢需要的机械切削力并不比加工传统钢件的切削力高出许多。加工奥氏体不锈钢所需的大多数额外能耗都是由于其热属性导致的。金属切削是一种变形过程，当加工抗变形的奥氏体不锈钢时，就会产生过多的热量。 切削区的散热至关重要。遗憾的是，奥氏体不锈钢除了抗变形外，还具有低导热性。加工普通钢时产生的切屑会吸收并带走热量，但奥氏体不锈钢的切屑仅能吸收有限的热量。由于工件本身的导热性较差，过多的热量会进入刀具，造成刀具寿命缩短。 刀具制造商设出计了具有极高热硬度的硬质合金基体，足以承受不锈钢加工时产生的高温。同时，刀具切削刃的锋利度也非常重要，至少与基体成分具有同等重要性。刀具越锋利，切削的不锈钢材料越多，材料变形越少，因而减少了热量的产生。 高切削参数 为了达到切削区散热的目的，最有效的不锈钢加工方法是尽可能采用最大的切削深度和进给率。其目的是最大限度地增加切屑带走的热量。由于不锈钢导热性较差，每立方毫米切屑材料可吸收的热量有限，因此，形成更大体积的切屑将会带走更多的热量。另外，采用更大的切削深度还将减少加工完成一个零件所需的走刀次数，由于奥氏体不锈钢在加工时表现出应变或加工硬化趋势，因此这是一个重要的考虑因素。 在实际应用中，这些高参数的加工策略受到一定的限制。例如，表面粗糙度要求将会限制最高进给率。机床的功率以及刀具和工件的强度也会对所采用的加工参数造成限制。 冷却液的使用策略 奥氏体不锈钢合金的热属性会导致问题，这意味着冷却液的应用几乎成为能否成功加工这类合金的关键。冷却液必须具有较高的质量，油水乳化液中的油含量至少占 8% 或 9%，而在很多加工中油含量通常为 3% 或 4%。 冷却液的应用方法也非常重要。输送到切削区的冷却液压力越高，冷却液的冷却效果就越好。使用专门的输送系统效果尤为显著，例如山高的 Jetstream Tooling®，它可以直接向切削区输送高压冷却液流。 刀具镀层与磨损过程 刀具基体表面的硬镀层增强了刀具表面的热硬度，并延长了刀具在高温环境下的使用寿命。然而，为了使刀具基体与热量隔绝，通常情况下必须采用厚镀层，但厚镀层却不能很好地粘附到非常锋利的槽型上。目前，刀具制造商正致力于制造能够良好阻隔热量的薄镀层。 奥氏体不锈钢表具有较高的延展性，并展现出粘附刀具的趋势。因此，使用镀层还可以防止粘附性磨损，这是当切削材料粘附并积聚在切削刃上时发生的一种情况。粘附的工件材料随后可能会扯掉部分切削刃，从而导致表面粗糙度较差以及刀具故障。镀层可以提供润滑能力以抑制粘附性磨损；提高切削速度也有助于最大限度地减少粘附性磨损。 一些奥氏体不锈钢合金含有磨蚀性的坚硬夹杂物，因此借助硬镀层来提高刀具的耐磨蚀性可以延长刀具寿命。 加工时，合金的应变或加工硬化趋势会造成沟槽磨损。沟槽磨损可以说是极为严重的局部磨损，可以通过采用适当的镀层和其他措施（例如改变切削深度，以在整个切削刃上分散磨损区域）来减轻。 刀具开发 刀具制造商一直专注于刀具开发工作，希望在刀具的各个属性之间取得平衡，从而使刀具在加工特定工件材料中展现出最佳的性能。硬质合金材质等级研究寻求硬度与强度之间的平衡，以使刀具不会因过硬而容易断裂，但也拥有足够的硬度以抵抗变形。同样，锋利的切削刃槽型是首选槽型，但其机械强度却不及钝化的切削刃。因此，切削刃槽型开发的目标是制造出尽可能平衡锋利度和强度的刀具。 作为开发过程的一部分，刀具制造商正在重新审视他们的刀具应用原则。当前的加工参数建议大部分都基于传统钢件的强度和硬度特性，而没有考虑加工奥氏体不锈钢和其他高性能合金时非常重要的热量因素。最近，刀具制造商已开始与研究机构合作修订刀具测试步骤，以将特定材料的热特性考虑在内。 新应用原则反映了新参考材料的出现。传统上，可加工性标准根据一种参考材料（即，一种合金钢）以及加工期间产生的机械负荷进行设置。现在，增加了用于奥氏体不锈钢的单独参考材料，已经为速度、进给量和切削深度设置了基准值。相对于该参考材料，采用平衡或校准因素来确定基值的变化，将在具有不同加工特性的材料中实现最佳生产率。 适用于特定材料的特定槽型 在众多不同的切削工况和加工参数下，很多刀具都可以在各种材料中提供非常令人满意的性能。对于具有适中生产率和质量要求的一次性作业，这些刀具不失为一种经济高效的选择。然而，要实现最佳性能，刀具制造商还需要进一步控制和平衡各种刀具要素，以制造出可在特定工件材料中提供最高生产率和加工可靠性的刀具。 刀具的基本要素包括刀具基体、镀层和槽型。每个要素都很重要，而在最理想的刀具中，这些元素作为一个整体产生优于各个部分之和的效果。 刀具各部分所发挥的作用各不相同。基体和镀层起到被动作用；它们旨在提供硬度和强度的平衡，以承受高温并抵抗化学作用、粘着性和腐蚀性。另一方面，刀具槽型发挥着主动作用，因为更改槽型可以改变一定时间内去除的金属量、产生的热量、切屑形成方式以及获得的表面粗糙度情况。 可改变性能的槽型差异的基本示例包括山高的 M3 和 M5 传统车削槽型刀片，这些刀片采用负角（0° 后角）切削刃槽型，并在切削刃和刀具前刀面之间采用倒棱。M3 槽型是一种通用的半精加工槽型，可在一系列工件材料中提供良好的刀具寿命和断屑性能。M5 槽型结合了高刃口强度与相对较低的切削力，旨在用于严苛的高进给粗加工应用场合。 M3 和 M5 槽型尽管通用性及强度较好，但锋利度却稍逊，并在加工奥氏体不锈钢时会通过变形产生大量的热量。相比之下，山高 MF4 和 MF5 槽型的刀具设计可在加工不锈钢时更加有效，这些槽型采用锋利的正角槽型以及更窄的正角倒棱，从而帮助保持锋利度，同时在锋利的刃口后面提供支撑。槽型设计为敞开式并且能够轻快切削，便于进行钢件和不锈钢的半精加工及精加工。MF5 槽型在高进给应用中尤为有效。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/28/2014)