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摘要：针对不锈钢材料难加工的特点，从不锈钢材料热处理、刀具材料选择、刀具几何角度、结构的确定、切削用量选取及冷却方式等多个方面进行解析，并采取相应措施，成功解决了不锈钢材料难加工的问题。
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。
图1 工件
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。
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
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
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。
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。
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。
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。
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。
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