不鏽鋼的切削加工
2020-03-11
▇ 隨著航空、航太、石油、化工、冶金和食品等工業的蓬勃發展，不銹鋼材料已得到廣泛應用。
而不銹鋼材料由於韌性大、熱強度高、導熱係數低、切削時塑性變形大、加工硬化嚴重、切削熱多、散熱困難等原因，造成刀尖處切削溫度高、切屑粘附刃口嚴重、容易產生積屑瘤，既加劇了刀具的磨損，又影響加工表面粗糙度。
此外，由於切屑不易捲曲和折斷，也會損傷已加工表面，影響工件的質量。
為提高加工效率和工件質量，正確選擇刀具材料、銑刀幾何參數和切削用量至關重要。
正確選用刀具材料是保證高效率加工不銹鋼的決定因素。根據不銹鋼的切削特點，刀具材料應具備足夠的強度、韌性、高硬度和高耐磨性且與不銹鋼的粘附性要小。常用的刀具材料有硬質合金和高速鋼兩大類。
由於高速鋼切削不銹鋼時的切削速度不能太高，因此影響生產效率的提高。對於銑刀類刀具，刀具材料應選用強度高、導熱性好的硬質合金，因其硬度、耐磨性等性能優於高速鋼。
常用的硬質合金材料有：鎢鈷類，鎢鈷鈦類，通用類。鎢鈷類硬質合金的韌性和導熱性較好，不易與切屑粘結，因此適用于不銹鋼粗銑加工；而鎢鈷鈦類硬質合金的硬度、耐磨性、耐熱性和抗氧化性能以及韌性都較好，適合於不銹鋼的精銑加工。
加工 1Cr18Ni9Ti 奧氏體不銹鋼時，不宜選用鎢鈷鈦類硬質合金，由於不銹鋼中的 Ti 和鎢鈷鈦類類硬質合金中的 Ti 產生親合作用，切屑容易把合金中的 Ti 帶走，促使刀具磨損加劇。
刀具切削部分的幾何角度，對於不銹鋼切削加工的生產率、刀具耐用度、被加工表面粗糙度、切削力以及加工硬化等方面都有很大的影響，合理選擇和改進刀具幾何參數是保證加工質量、提高效率、降低成本的有效途徑。
前角的大小決定刀刃的鋒利與強度。增大前角可以減小切屑的變形，從而減小切削力和切削功率，降低切削溫度，提高刀具耐用度。但是增大前角會使楔角減小，降低刀刃強度，造成崩刃，使刀具耐用度下降。
銑削不銹鋼時，在不降低刀具強度的條件下，應把前角適當取大一些。在刀具前角大時其塑性變形小，切削力和切削熱降低，減輕加工硬化趨勢，提高刀具耐用度，一般刀具前角宜取 12°～20°。
在切削過程中，後角可以減小後刀面與切削表面的摩擦。若後角過大，則楔角減小，使散熱條件惡化，刀具刃口強度下降，降低刀具耐用度；若後角過小，摩擦嚴重，則會使刃口變鈍，增大切削力，增高切削溫度，加劇刀具磨損。
在一般情況下，後角變化不大，但必須有一個合理的數值，以利於提高刀具的耐用度。銑削不銹鋼時，由於不銹鋼的彈性和塑性都比普通碳素鋼大，所以刀具後角過小會使切斷表面與銑刀後角的接觸面積增大，摩擦產生的高溫區集中於銑刀後角，加快銑刀磨損，降低被加工表面光潔度。
所以銑削不銹鋼時的銑刀後角要比銑削普通碳鋼時稍大一些，但後角過大又會降低刀刃強度，直接影響銑刀的耐用度，因此，一般情況下銑刀第一隙角宜取 20°～30°。
當切削深度 ap 和進給量f不變時，減小螺旋角Kr可使散熱條件得到改善，減少刀具損壞，使刀具切入、切出平穩。但螺旋角減小又會使徑向力增大，在切削時容易引起振動。銑削不銹鋼的硬化傾向性強，易產生振動，振動又會使加工硬化嚴重。
因此，螺旋角一般宜取 45°～55°。具體角度應根據機床、零件、刀具系統的剛性和切削用量來選擇。
刃傾角可控制切屑流向，當刃傾角λs為負值時，切屑流向已加工表面；當刃傾角λs為正值時，切屑流向待加工表面。為了使切屑不劃傷已加工表面，在精加工時，刃傾角λs值為正值。
當λs為正值時，刀尖強度低並首先接觸工件，易損壞；當λs為負值時，刀尖強度高，耐衝擊，可避免崩壞刀尖，切入、切出平穩，銑削不銹鋼時，一般刀具刃傾角宜取 0°～20°。
切削用量的大小對生產效率和加工質量有很大影響，因此在確定了刀具的幾何參數以後，還要選定合理的切削用量。在選擇切削用量時，應注意考慮以下因素：
一是要根據不銹鋼及各類毛坯的硬度等來選擇切削用量；
二是要根據刀具材料、焊接質量和車刀的刃磨條件來選擇切削用量；
三是要根據零件直徑、加工餘量和銑床精度等來選擇切削用量。
同時為了抑制積屑瘤和鱗刺的產生，提高表面質量，在採用硬質合金刀具進行加工時，切削用量應比銑削一般碳鋼類工件稍低些，特別是切削速度不宜過高 （vc=50～80m/min）；切削深度 ap 不宜過小，以避免切削刃和刀尖劃過硬化層，ap=0.4～4mm；因此進給量f對刀具耐用度影響不如切削速度大，但會影響斷屑和排屑，拉傷、擦傷工件表面，影響加工的表面質量，進給量一般取 f=0.1～0.5mm/r。
不銹鋼尤其是奧氏體型不銹鋼的塑性較好，在切削加工時，產生的切屑難以折斷，加大了切屑與刀具前刀面之間的摩擦力，增大了切削力。同時，因加工硬化會增大被切削材料的硬度和強度，也導致切削力增大。
為此，在合理選擇刀具材料、刀具的幾何角度和切削用量的基礎上，對不銹鋼和45鋼做了切削力對比試驗。試驗結果表明，在相同切削用量的情況下，加工不銹鋼時切削力比加工 45 鋼時只增加了 8.5%。
合理選擇刀具材料、刀具幾何角度和切削用量，對於提高不銹鋼切削加工的生產效率和加工工件質量是完全能夠實現的。
而不銹鋼材料由於韌性大、熱強度高、導熱係數低、切削時塑性變形大、加工硬化嚴重、切削熱多、散熱困難等原因，造成刀尖處切削溫度高、切屑粘附刃口嚴重、容易產生積屑瘤，既加劇了刀具的磨損，又影響加工表面粗糙度。
此外，由於切屑不易捲曲和折斷，也會損傷已加工表面，影響工件的質量。
為提高加工效率和工件質量，正確選擇刀具材料、銑刀幾何參數和切削用量至關重要。
1. 刀具材料的選擇
正確選用刀具材料是保證高效率加工不銹鋼的決定因素。根據不銹鋼的切削特點，刀具材料應具備足夠的強度、韌性、高硬度和高耐磨性且與不銹鋼的粘附性要小。常用的刀具材料有硬質合金和高速鋼兩大類。
由於高速鋼切削不銹鋼時的切削速度不能太高，因此影響生產效率的提高。對於銑刀類刀具，刀具材料應選用強度高、導熱性好的硬質合金，因其硬度、耐磨性等性能優於高速鋼。
常用的硬質合金材料有：鎢鈷類，鎢鈷鈦類，通用類。鎢鈷類硬質合金的韌性和導熱性較好，不易與切屑粘結，因此適用于不銹鋼粗銑加工；而鎢鈷鈦類硬質合金的硬度、耐磨性、耐熱性和抗氧化性能以及韌性都較好，適合於不銹鋼的精銑加工。
加工 1Cr18Ni9Ti 奧氏體不銹鋼時，不宜選用鎢鈷鈦類硬質合金，由於不銹鋼中的 Ti 和鎢鈷鈦類類硬質合金中的 Ti 產生親合作用，切屑容易把合金中的 Ti 帶走，促使刀具磨損加劇。
2. 刀具幾何角度的選擇
刀具切削部分的幾何角度，對於不銹鋼切削加工的生產率、刀具耐用度、被加工表面粗糙度、切削力以及加工硬化等方面都有很大的影響，合理選擇和改進刀具幾何參數是保證加工質量、提高效率、降低成本的有效途徑。
（1）銑刀第一隙角的選擇 ( Radius Angle )
前角的大小決定刀刃的鋒利與強度。增大前角可以減小切屑的變形，從而減小切削力和切削功率，降低切削溫度，提高刀具耐用度。但是增大前角會使楔角減小，降低刀刃強度，造成崩刃，使刀具耐用度下降。銑削不銹鋼時，在不降低刀具強度的條件下，應把前角適當取大一些。在刀具前角大時其塑性變形小，切削力和切削熱降低，減輕加工硬化趨勢，提高刀具耐用度，一般刀具前角宜取 12°～20°。
（2）銑刀第二隙角α0的選擇( Secend Angle )
在切削過程中，後角可以減小後刀面與切削表面的摩擦。若後角過大，則楔角減小，使散熱條件惡化，刀具刃口強度下降，降低刀具耐用度；若後角過小，摩擦嚴重，則會使刃口變鈍，增大切削力，增高切削溫度，加劇刀具磨損。在一般情況下，後角變化不大，但必須有一個合理的數值，以利於提高刀具的耐用度。銑削不銹鋼時，由於不銹鋼的彈性和塑性都比普通碳素鋼大，所以刀具後角過小會使切斷表面與銑刀後角的接觸面積增大，摩擦產生的高溫區集中於銑刀後角，加快銑刀磨損，降低被加工表面光潔度。
所以銑削不銹鋼時的銑刀後角要比銑削普通碳鋼時稍大一些，但後角過大又會降低刀刃強度，直接影響銑刀的耐用度，因此，一般情況下銑刀第一隙角宜取 20°～30°。
（3）銑刀螺旋角的選擇
當切削深度 ap 和進給量f不變時，減小螺旋角Kr可使散熱條件得到改善，減少刀具損壞，使刀具切入、切出平穩。但螺旋角減小又會使徑向力增大，在切削時容易引起振動。銑削不銹鋼的硬化傾向性強，易產生振動，振動又會使加工硬化嚴重。因此，螺旋角一般宜取 45°～55°。具體角度應根據機床、零件、刀具系統的剛性和切削用量來選擇。
（4）銑刀刃傾角 Rake Angle 的選擇
刃傾角可控制切屑流向，當刃傾角λs為負值時，切屑流向已加工表面；當刃傾角λs為正值時，切屑流向待加工表面。為了使切屑不劃傷已加工表面，在精加工時，刃傾角λs值為正值。當λs為正值時，刀尖強度低並首先接觸工件，易損壞；當λs為負值時，刀尖強度高，耐衝擊，可避免崩壞刀尖，切入、切出平穩，銑削不銹鋼時，一般刀具刃傾角宜取 0°～20°。
3. 切削用量的選擇
切削用量的大小對生產效率和加工質量有很大影響，因此在確定了刀具的幾何參數以後，還要選定合理的切削用量。在選擇切削用量時，應注意考慮以下因素：
一是要根據不銹鋼及各類毛坯的硬度等來選擇切削用量；
二是要根據刀具材料、焊接質量和車刀的刃磨條件來選擇切削用量；
三是要根據零件直徑、加工餘量和銑床精度等來選擇切削用量。
同時為了抑制積屑瘤和鱗刺的產生，提高表面質量，在採用硬質合金刀具進行加工時，切削用量應比銑削一般碳鋼類工件稍低些，特別是切削速度不宜過高 （vc=50～80m/min）；切削深度 ap 不宜過小，以避免切削刃和刀尖劃過硬化層，ap=0.4～4mm；因此進給量f對刀具耐用度影響不如切削速度大，但會影響斷屑和排屑，拉傷、擦傷工件表面，影響加工的表面質量，進給量一般取 f=0.1～0.5mm/r。
不銹鋼尤其是奧氏體型不銹鋼的塑性較好，在切削加工時，產生的切屑難以折斷，加大了切屑與刀具前刀面之間的摩擦力，增大了切削力。同時，因加工硬化會增大被切削材料的硬度和強度，也導致切削力增大。
為此，在合理選擇刀具材料、刀具的幾何角度和切削用量的基礎上，對不銹鋼和45鋼做了切削力對比試驗。試驗結果表明，在相同切削用量的情況下，加工不銹鋼時切削力比加工 45 鋼時只增加了 8.5%。
4. 結語
合理選擇刀具材料、刀具幾何角度和切削用量，對於提高不銹鋼切削加工的生產效率和加工工件質量是完全能夠實現的。