Saturday, July 26, 2008

不锈钢材料车削质量控制方案探讨 www.tool-tool.com

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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

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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