不銹鋼材料車削質(zhì)量控制方案探討

     我公司在近期的新產(chǎn)品試制中，一部分工件采用了不銹鋼等難加工材料，如3Cr13、3Cr13Mo、40CrNiMo、9CrMoV等，以往也曾加工過此類材質(zhì)工件，雖然生產(chǎn)效率低，但都是批次少，數(shù)量少，生產(chǎn)周期短。大批量投產(chǎn)后，問題暴露出來，刀具磨損嚴(yán)重，磨刀次數(shù)增多，停機(jī)時間和機(jī)床調(diào)整時間增加，工件表面粗糙度差，切屑不易卷曲和折斷，劃傷工件已加工表面，直接影響工件的質(zhì)量。
     以圖1所示工件為例，工件材質(zhì)為3Cr13Mo，工藝要求除Ra0.8µm各外圓留磨外，均由數(shù)控車床加工完成。3Cr13Mo鋼強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率、沖擊性能等指標(biāo)都比40鋼和45鋼高，是一種強(qiáng)度高、塑性好的中碳馬氏體不銹鋼。在工件試生產(chǎn)時，按車削普通碳鋼的工藝方法對3Cr13Mo鋼進(jìn)行車削試驗(yàn)，其結(jié)果是切削時加工硬化嚴(yán)重，切削抗力大，切削溫度高，且容易粘刀，產(chǎn)生積屑瘤，引起工件尺寸變化并影響工件形位公差和表面粗糙度。
 

圖1 工件

針對上述問題，從多個方面采取措施，使工件加工表面達(dá)到圖樣要求的尺寸和表面粗糙度，且保證了較高的生產(chǎn)效率。
1 熱處理改變材料的硬度
    馬氏體不銹鋼在熱處理后的不同硬度，對車削加工的影響很大。表1所示是采用YW2材料的車刀，車削熱處理后不同硬度的3Cr13M。材質(zhì)工件的情況。從表1中可以看出，退火狀態(tài)的馬氏體不銹鋼雖然硬度低，但車削性能差，這是因?yàn)椴牧纤苄院晚g性大，組織不均勻，粘附、熔著性強(qiáng)，切削過程易產(chǎn)生刀瘤，不易獲得較好的表面質(zhì)量。而調(diào)質(zhì)處理后硬度在30HRC以下的3Cr13Mo材質(zhì)工件加工性較好，易達(dá)到較好的表面質(zhì)量。而硬度大于30HRC的工件，表面質(zhì)量雖然較好，但刀具易磨損，所以，在機(jī)加工前先進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度達(dá)到25～30HRC，然后再進(jìn)行切削加工。

2 刀具材料的選擇
刀具材料的切削性能關(guān)系著刀具的耐用度和生產(chǎn)率，刀具材料的工藝性影響著刀具本身的制造與刃磨質(zhì)量。
對刀具切削部分材料的選取原則是具有較高的耐磨性，并能在較高的溫度下保持其切削性能。
    目前常用的材料有:高速鋼和硬質(zhì)合金。由于高速鋼只能在600℃以下保持其切削性能，而不銹鋼切削時產(chǎn)生的高溫往往高于60090，而硬質(zhì)合金比高速鋼具有更好的耐熱性和耐磨性，因此用硬質(zhì)合金材料制成的刀具更適合不銹鋼的切削加工。在切削參數(shù)相同的條件下，對幾種合金材料的刀具進(jìn)行了車削對比試驗(yàn)，見表2。

     從表2中可看出，采用TiC-TiCN-TiN復(fù)合涂層刀片的外圓車刀，耐用度比較高，工件表面質(zhì)量好，生產(chǎn)率高。這是因?yàn)檫@種涂層硬質(zhì)合金材料的刀片，具有更好的強(qiáng)度和韌性，又因其表面具有更高的硬度和耐磨性，更小的摩擦因數(shù)和更高的耐熱性，而成為車削不銹鋼的良好刀具材料。限于不具備這種材料的切斷刀片，通過表2的對比試驗(yàn)可知，YW2硬質(zhì)合金的切削性能也較好，因此可選用YW2材料的刀片作為切斷刀。
    加工不銹鋼時，由于切削力較大，故刀桿必須具備足夠的強(qiáng)度和剛度，以免在切削過程中發(fā)生顫振和變形。這就要求選用適當(dāng)?shù)牡稐U截面積，同時還應(yīng)采用強(qiáng)度較高的材料來制造刀桿，如采用調(diào)質(zhì)處理的45鋼或50鋼。
3 刀具的幾何角度和結(jié)構(gòu)的選取
     選擇合理的刀具幾何角度也是非常重要的，因?yàn)榈毒邘缀谓嵌戎苯佑绊懙降毒叩那邢餍阅埽�根�?jù)多年的加工經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加工不銹鋼時，刀具切削部分的幾何形狀，一般應(yīng)從前角、后角方面的選擇來考慮。
     在選擇前角時，要考慮卷屑槽型、有無倒棱和刃傾角的正、負(fù)角度大小等因素，因?yàn)榍敖莋0直接影響刀具的強(qiáng)度、導(dǎo)熱性及耐用度。從切削熱的產(chǎn)生和散熱方面考慮，增大前角可減小切削熱的產(chǎn)生，切削溫度不致于太高，刀具耐用度提高，但前角過大，則因刀頭散熱體積減小，散熱差，切削溫度反而升高，耐用度降低。減小前角可改善刀頭散熱條件，切削溫度有可能降低，但前角過小，則切削變形嚴(yán)重，切削產(chǎn)生的熱量不易散掉。一般情況下加工不銹鋼時都采用較大的前角，增大刀具的前角，可減小切屑切離和清除過程中所遇到的阻力，所以刀具前角g0取15°～20°較為適宜。
     對后角選擇要求不十分嚴(yán)格，但不宜過小，后角過小容易和工件表面產(chǎn)生嚴(yán)重摩擦，使加工表面粗糙度惡化，加速刀具磨損，并且由于強(qiáng)烈摩擦，增強(qiáng)了不銹鋼表面加工硬化的效應(yīng);刀具后角也不宜過大，后角過大，使刀具的楔角減小，降低了切削刃的強(qiáng)度，加速了刀具的磨損。通常，后角a0取5°～8°較合適，最大不超過10°。通常情況下刃傾角ls取-10°～-30°。負(fù)的刃傾角可保護(hù)刀尖，提高刀刃強(qiáng)度，但刃傾角ls絕對值增大時，參加切削的主切削刃長度增加，摩擦加劇，因此取ls為-10°。
     主偏角kr應(yīng)根據(jù)工件的形狀、加工部位和裝刀情況來選擇。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，可減少切屑形成卷曲時的阻力，提高刀具的耐用度，所以刃口表面粗糙度一般應(yīng)為Ra0.4～0.2µm。
    在刀具結(jié)構(gòu)上，對外圓車刀采用Y型(外斜式)圓弧斷屑槽，靠近刀尖處切屑卷曲半徑大，靠近外緣處切屑卷曲半徑小，切屑翻向待加工表面而折斷，斷屑情況好。
    對于切斷刀，將副偏角控制在1°以內(nèi)，這樣可以改善排屑條件，延長刀具的使用壽命。
4 切削用量的選取
    切削用量對工件表面質(zhì)量、刀具耐用度、加工生產(chǎn)率影響較大。而切削理論認(rèn)為，切削速度Vc對切削溫度和刀具耐用度的影響最大，進(jìn)給量f次之，ap最小，而數(shù)控車床一次走刀加工的表面，ap值是由工件尺寸與材料毛坯尺寸來決定的，一般為0～5mm，由于圖1所示工件尺寸較小，所以選取背吃刃量ap=3mm較為適宜。
    難加工材料的切削速度往往比普通鋼的切削速度低得多，因?yàn)樗俣鹊奶岣�，就會使刀具�?yán)重磨損，而不同的不銹鋼材料又有各自不同的最佳切削速度，這個最佳切削速度只能通過試驗(yàn)或查閱有關(guān)資料確定。對于加工3Cr13Mo材質(zhì)工件，采用切削速度Vc=60～8Om/min。
    進(jìn)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，從而影響工件表面的拉傷、擦傷，影響已加工的表面質(zhì)量。f值大小通常取決于工件的直徑、主軸轉(zhuǎn)速以及加工工藝等，以車外圓和切斷為例，參考值如表3所示。

5 適用的冷卻潤滑液
車削不銹鋼用的冷卻潤滑液，應(yīng)該具有以下幾個特點(diǎn)。
高的冷卻性能，保證能帶走大量的切削熱。
不銹鋼韌性大，切削時易產(chǎn)生刀瘤，惡化加工表面，這就要求冷卻潤滑液有高的潤滑性能，能起到較好的潤滑作用。
較好的滲透性，對不易被切離的切屑，能起到較好的楔裂作用、擴(kuò)散和內(nèi)潤滑作用。
常用的加工不銹鋼的冷卻潤滑液有硫化油、硫化豆油、煤油加油酸或植物油、四抓化碳加礦物油、乳化液等。
    考慮到硫?qū)�機(jī)床有一定的腐蝕作用，植物油(如豆油)容易附在機(jī)床上結(jié)癡和變質(zhì)。選用了四抓化碳與機(jī)油按重量比為1:9的混合物，其中四抓化碳滲透性好，機(jī)油的潤滑性好。試驗(yàn)證明，這種冷卻潤滑液適用于表面粗糙度值要求小的不銹鋼工件的半精加工和精加工，特別適合于馬氏體類不銹鋼工件的車加工。
6 結(jié)語
    通過以上的措施，對圖1所示3Cr13Mo材質(zhì)工件的加工已完全達(dá)到正常狀態(tài)。磨刀次數(shù)只有試生產(chǎn)時的1/3，生產(chǎn)效率也較剛開始時大大提高，工件質(zhì)量完全達(dá)到圖樣要求。