不銹鋼材料車削質(zhì)量控制方案探討
針對不銹鋼材料難加工的特點(diǎn)，從不銹鋼材料熱處理、刀具材料選擇、刀具幾何角度、結(jié)構(gòu)的確定、切削用量選取及冷卻方式等多個方面進(jìn)行解析，并采取相應(yīng)措施，成功解決了不銹鋼材料難加工的問題。
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。
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。
 圖1 工件 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。 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?，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。
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