不锈钢材料切削加工的难点分析与解决方法

新产品的不断涌现对零件的材料提出了更高的要求,所需材料有时必须满足高硬度、高耐磨性、高韧性等特殊要求,由此产生了一批难加工材料,对加工工艺提出了更高的要求。本文以不锈钢管等难加工材料为对象,结合我所加工遇到的实际问题,分析不锈钢管的加工难点,并提出了切实有效的解决方法。

1.引言

与优质碳素结构钢相比,不锈钢材料加入了CrNiNNbMo等合金元素。这些合金元素的增加,不仅提高了钢的耐蚀性,对不锈钢管的机械性能也有一定影响。如马氏体不锈钢管4Cr1345号中碳钢相比,具有相同的含碳量,但相对切削加工性只有45钢的58%;奥氏体不锈1Cr18Ni9Ti只有40%,而奥氏体-铁素体双相不锈钢管韧性高、切削性更差。

2.不锈钢材料切削难点分析

在实际加工中,切削不锈钢管往往伴随着断刀、粘刀现象的发生。由于不锈钢管在切削时塑性变形大,产生的切屑不易折断、易粘结,导致在切削过程中加工硬化严重,每一次走刀都对下一次切削产生硬化层,经过层层积累,不锈钢管在切削过程中的硬度越来越大,需要的切削力也随之升高。

加工硬化层的产生、切削力的增高必然导致刀具与工件之间的摩擦增大,切削温度也随之升高。并且,不锈钢管的导热系数较小,散热条件差,大量切削热集中刀具与工件之间,使已加工表面恶化,严重影响了已加工表面的质量。而且,切削温度的升高会加剧刀具磨损,使刀具前刀面产生月牙洼,切削刃产生缺口,从而影响工件表面质量,降低了工作效率,增加了生产成本。

3.提高不锈钢管加工质量的方法

由上可以看出,不锈钢管的加工比较困难,切削时易产生硬化层,容易断刀;产生的切屑不易折断,导致粘刀,会加剧刀具的磨损。针对不锈钢管这些切削特点,结合生产实际,我们从刀具材料、切削参数及冷却方式三方面入手,找到提高不锈钢管加工质量的方法。

3.1刀具材料的选择

选择合适的刀具是加工出高质量零件的基础。刀具太差,加工不出合格的零件;选择过好的刀具,虽然能满足零件的表面质量要求,但容易造成浪费,提高了生产成本。结合不锈钢管切削时散热条件差、产生加工硬化层、易粘刀等特点,选择的刀具材料应满足耐热性好、耐磨性高、与不锈钢管亲和作用小的特点。

3.1.1高速钢

高速钢是加入WMoCrVGo等合金元素的高合金工具钢,具有较好的工艺性能,强度和韧性配合好,抗冲击振动的能力较强。在高速切削产生高热情况下(约500℃)仍能保持高的硬度(HRC仍在60以上),高速钢红硬性好,适合制作铣刀、车刀等铣削刀具,可以满足不锈钢管切削时产生的硬化层及散热性差等切削环境。

W18Cr4V是最典型的高速钢刀具,自1906年诞生以来,已经被广泛制作成各种刀具以满足切削加工的需要。但随着各种被加工材料机械性能的不断提高,W18Cr4V刀具已经不能满足难加工材料的加工要求。高性能的钴高速钢应时而生。与普通高速钢相比,钴高速钢具有更好的耐磨性、红硬性和使用的可靠性,适合高切除率加工和断续切削加工,常用牌号如W12Cr4V5Co5

3.1.2硬质合金钢

硬质合金是以高硬度难熔金属的碳化物(WCTiC)微米级粉末为主要成分,以钴或镍、钼为粘结剂,在真空炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金具有强度和韧性较好,耐热、耐磨、耐腐蚀、硬度高等一系列优良性能。在500℃的温度下也基本保持不变,在1000℃时仍有很高的硬度,适合不锈钢管、耐热钢等难加工材料的切削加工。常见硬质合金主要分为三类:YG类(钨钴类硬质合金)、YT类(钨钛钴类)、YW类(钨钛钽(铌)类),这三种合金的成分不同,用途也有很大差别。其中YG类硬质合金由于具有较好的韧性,导热性也较好,可以选择较大的前角,适合不锈钢管的切削。

3.2切削不锈钢管刀具几何参数的选择

1)前角γo:结合不锈钢管强度高、韧性好、切削时切屑不易被切离等特点,在保证刀具有足够强度的前提下,应选用较大的前角,这样既可以减小加工对象的塑性变形,也能够降低切削温度和切削力,同时减少硬化层的产生。

2)后角αo:增加后角将减小加工表面与后刀面的摩擦,但切削刃的散热能力和强度也随之降低。后角的大小取决于切削厚度,切削厚度大时,宜选较小后角。

3)主偏角kr、副偏角kr、:主偏角kr的减小可增加刀刃工作长度,有利于散热,但在切削时会增加径向力,容易产生振动,常取kr值为50°~90°,若机床刚性不足,可适当加大。副偏角常取kr=9°~15°。

4)刃倾角λs:为了增加刀尖强度,刃倾角一般取λs=7°~-3°。

3.3切削液和冷去方式的选择

由于不锈钢管的切削加工性较差,对切削液的冷却、润滑、渗透及清洗性能有更高的要求,常用的切削液有以下几类:

1)乳化液:比较常见的冷却方式,具有较好的冷却、清洗、润滑性能,常用于不锈钢管粗车。

2)硫化油:切削过程中能在金属表面形成高熔点硫化物,而且在高温下不易破坏,具有良好的润滑作用,并有一定的冷却效果,一般用于钻孔、铰孔及攻丝。

3)机油、锭子油等矿物油:其润滑性能较好,但冷却和渗透性较差,适用于外圆精车。

在切削加工过程中应使切削液喷嘴对准切削区,或最好采用高压冷却,喷雾冷却等冷却方式。

4.以把手为例子,分析不锈钢管铣削过程中的加工方法

该零件虽然结构简单,但零件材料为1Cr18Ni9Ti,属于奥氏体不锈钢管,厚度12,切削量较大,加工硬化严重。

若采用逆铣,则刀齿先在已经硬化的表面上滑行,加工硬化会更严重,所以此零件最好采用顺铣加工外形尺寸,以便减小加工硬化以及铣削时带来的冲击、振动,保护铣刀刀齿不易崩刃。不对称顺铣法能保证切削刃平稳地从金属中切离,切屑粘结接触面积小,在高速离心力的作用下易被甩掉,以免刀齿重新切入工件时,切屑冲击前刀面产生剥落和崩刃现象,提高刀具的耐用度,零件外形图见图1

另外,选用哪种铣刀呢?针对上述不锈钢管难加工的特点,我们发现铣削不锈钢管的刀具应满足以下这些特点:切削刃要锋利,又要能承受冲击,容屑槽也要大。结合零件外形尺寸以及我所的实际生产,选用大螺旋角铣刀(包括圆柱铣刀、立铣刀)能够满足上述条件,同时若把所选刀具螺旋角从20°增加到40°,刀具耐用度也可提高1.5倍以上。

选择高速钢立铣刀,铣刀直径16,转速300r/min,进给量37.5mm/min铣出六面尺寸。由于不锈钢管铣削时产生大量的热量,故应选择合适的冷却方式。理论上采用喷雾冷却法效果最为显著,可提高铣刀耐用度一倍以上,但这种冷却方式不适用于我们的工作场所,故这里采用10%乳化液冷却,并保证切削液流量达到充分冷却。钳工划出外形线,需要铣零件的外形尺寸。分析零件内腔有2-R4内角,需选用直径为8的铣刀。由于铣刀直径较小,转速高,故应选择刀耐热性好、耐磨性高、与不锈钢管的亲和作用小的硬质合金钢。因为硬质合金钢具有较高的硬度(701 75HRC),耐850℃~1000℃的高温,具有良好的耐磨性和耐热性以及高硬度,其切削速度也比高速钢刀具提高23倍,正适合这里的高速切削。加工过程中应勤于观察,及时清除刀齿周围的粘屑,防止粘刀,避免损伤已加工面。

5.结语

综上所述,虽然不锈钢管的切削性差,具有加工硬化严重、切削力大、导热系数低、易粘刀、易磨损刀具等缺点,但只要找到合适的加工方法,采用合适的刀具、切削方式以及切削用量,选择合适的冷却液,在工作中勤于思考,不锈钢管等难加工材料也就迎“刃”而解了。

文章作者:不锈钢管|304不锈钢无缝管|316L不锈钢厚壁管|不锈钢小管|大口径不锈钢管|不锈钢换热管

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