不锈钢材料加工工艺疑难解析

不锈钢材料加工工艺疑难解析在采取钻、铰、镗工艺加工一些奥氏体组织及马氏体组织不锈钢材料如1Cr18Ni9Ti、2Cr13孔时，加工过程中会出现刀具磨损加快、加工表面完好性差、切屑排除困难等共性问题，严重影响了此类材料零件的加工质量、生产周期及加工成本。按照金属工艺学、金属切削原理等理论对上述材质加工难点进行分析，摸索出一套行之有效的不锈钢材料钻、铰、镗加工工艺。不锈钢材料加工难点分析不锈钢材料加工难点主要有以下几个方面：1.切削力大，切削温度高该类型材料强度大，切削时切向应力大、塑性变形大，因而切削力大。此外材料导热性极差，造成切削温度升高，且高温往往集中在刀具刃口附近的狭长区域内，从而加快了刀具的磨损。2.加工硬化严重奥氏体不锈钢以及一些高温合金不锈钢均为奥氏体组织，切削时加工硬化倾向大，通常是普通碳素钢的数倍，刀具在加工硬化区域内切削，使刀具寿命缩短。3.容易粘刀无论是奥氏体不锈钢还是马氏体不锈钢均存在加工时切屑强韧、切削温度很高的特点。当强韧的切屑流经前刀面时，将产生粘结、熔焊等粘刀现象，影响加工零件表面粗糙度。4.刀具磨损加快上述材料一般含高熔点元素、塑性大，切削温度高，使刀具磨损加快，磨刀、换刀频繁，从而影响了生产效率，提高了刀具使用成本。不锈钢零件加工工艺通过上述加工难点分析，不锈钢的加工工艺及相关刀具参数设计与普通结构钢材料应具有较大的不同，其具体加工工艺如下：1.钻孔加工在钻孔加工时，由于不锈钢材料导热性能差，弹性模量小，孔加工起来也比较困难。解决此类材料的孔加工难题，主要是选用合适的刀具材料，确定合理的刀具的几何参数以及刀具的切削用量。钻削上述材料时，钻头一般应选用W6Mo5Cr4V2Al、W2Mo9Cr4Co8等材质的钻头，这些材质钻头缺点是价格比较昂贵，而且难以采购。而采用常用的W18Cr4V普通标准高速钢钻头钻孔时，由于存在顶角较小、切屑太宽而不能及时排出孔外、切削液不能及时冷却钻头等缺点，再加上不锈钢材料导热性差，造成集中在刀刃上的切削温度升高，容易导致两个后刀面和主刃烧伤及崩刃，使钻头的使用寿命降低。（1）刀具几何参数设计在采用W18Cr4V普通高速钢钻头钻孔时，切削力及切削温度均集中在钻尖上，为提高钻头切削部位的耐用度，可以适当增大顶角角度，顶角一般选135°～140°，顶角增大也将使外缘前角减小，钻屑变窄，以利于排屑。但是加大顶角后，钻头的横刃变宽，造成切削阻力增大，因而必须对钻头横刃进行修磨，修磨后横刃的斜角为47°～55°，横刃前角为3°～5°，修磨横刃时，应将切削刃与圆柱面转角处修磨成圆角，以增加横刃强度。由于不锈钢材料弹性模量较小，切屑层下的金属弹性恢复大，加之加工过程中加工硬化严重，后角太小会加快钻头后刀面的磨损，而且增加了切削温度，降低钻头的寿命。因此须适当加大后角，但后角太大，将使钻头的主刃变得单薄，减小了主刃的刚性，所以后角应以12°～15°为宜。为使钻屑变窄，利于排屑，还需要在钻头两个后刀面上开交错分布的分屑槽。（2）切削用量选择钻削时，切削用量的选择应从降低切削温度的基本点出发，因为高速切削将会使切削温度升高，而高的切削温度将加剧刀具磨损，因而切削用量中最重要的是选择切削速度。一般情况下，切削速度以12～15m/min较为合适。进给量对刀具寿命影响较小，但进给量选择太小将会使刀具在硬化层内切削，加剧磨损；而进给量如果太大，又会使表面粗糙度变差。综合上述两个因素，进给量选择为0.32～0.50mm/r为宜。（3）切削液选择钻削时，为降低切削温度，可采用乳化液作为冷却介质。2.铰孔加工（1）刀具几何参数设计不锈钢材料的铰削加工大部分使用硬质合金铰刀。铰刀的结构和几何参数与普通铰刀有所不同。为增强刀齿强度并防止铰削时产生切屑堵塞现象，铰刀齿数一般比较少。铰刀前角一般为8°～12°，但在某些特定情况，为了实现高速铰削，也可采用0°～5°前角；后角一般为8°～12°；主偏角的选择视孔的不同而异，一般情况下通孔为15°～30°，不通孔为45°；铰孔时为了使切屑向前排出，也可适当增加刃倾角角度，刃倾角角度一般为10°～20°；刃带宽度为0.1～0.15mm；铰刀上倒锥应较普通铰刀大，硬质合金铰刀一般为0.25～0.5mm/100mm，高速钢铰刀为0.1～0.25mm/100mm；铰刀校正部分长度一般为普通铰刀的65%～80%，其中圆柱部分长度为普通铰刀的40%～50%。（2）切削用量选择铰孔时进给量为0.08～0.4mm/r，切削速度为10～20m/min，粗铰余量一般为0.2～0.3mm，精铰余量为0.1～0.2mm。粗铰时应采用硬质合金刀具，精铰时可采用高速钢刀具。（3）切削液选择不锈钢材料铰孔时，可采用全损耗系统用油或二硫化钼作为冷却介质。3.镗孔加工（1）刀具材料选择因加工不锈钢零件时切削力大、切削温度高，刀具材料应尽量选择强度高、导热性好的YW或YG类硬质合金。精加工时也可使用YT14及YT15硬质合金刀片。批量加工上述材料零件时，可采用陶瓷材料刀具，由于此类材料的特点主要是韧性大，加工硬化严重，切削这些材料的切屑以单元切屑形式产生，将使刀具产生振动，容易造成刀刃产生微崩现象，因此选择陶瓷刀具切削此类材料零件时首先应考虑的是微观韧性。目前Sialon是一种比较好的选择，特别是α/βSialon材料，因其优异的抗高温变形的性能以及扩散磨损的性能而引人注目，并成功应用于切削镍基合金，其寿命远远超过Al2O3基陶瓷。此外，SiC晶须加强陶瓷也是切削不锈钢或镍基合金的一种很有效的刀具材料。对于此类材料淬火零件的加工，可以采用CBN（立方氮化硼）刀片，CBN硬度仅次于金刚石，硬度可达7000～8000HV，因此耐磨性很高，与金刚石相比，CBN突出优点是耐热性比金刚石高得多，可达1200℃，可承受很高的切削温度。此外其化学惰性很大，与铁族金属在1200～1300℃时也不起化学作用，因此非常适合加工不锈钢材料。其刀具寿命是硬质合金或陶瓷刀具的几十倍。（2）刀具几何参数设计刀具几何参数对其切削性能起重要的作用，为使切削轻快、顺利，硬质合金刀具宜采用较大的前角，以提高刀具寿命。一般粗加工时，前角取10°～20°，半精加工时取15°～20°；精加工时取20°～30°。主偏角的选择依据是，当工艺系统刚性良好时，可取30°～45°；如工艺系统刚性差时，则取60～75°，当工件长度与直径之比超过10倍时，可取90°。用陶瓷刀具镗削不锈钢材料时，绝大多数情况下，陶瓷刀具均采用负前角进行切削。前角大小一般选应－5°～－12°。这样有利于加强刀刃，充分发挥陶瓷刀具抗压强度较高的优越性。后角大小直接影响刀具磨损，对刀刃强度也有影响，一般选用5°～12°。主偏角的改变会影响径向切削分力与轴向切削分力的变化以及切削宽度和切削厚度的大小。因为工艺系统的振动对陶瓷刀具极为不利，所以主偏角的选择要有利于减少这种振动，一般选取30°～75°。选用CBN作为刀具材料时，刀具几何参数为前角0°～10°，后角12°～20°，主偏角45°～90°。（3）前刀面刃磨时粗糙度值要小为避免出现切屑粘刀现象，刀具的前、后刀面应仔细刃磨以保证具有较小的粗糙度值，从而减少切屑流出阻力，避免切屑粘刀。（4）刀具刃口应保持锋利刀具刃口应保持锋利，以减少加工硬化，进给量和背吃刀量不宜过小，以防止刀具在硬化层中切削，影响刀具使用寿命。（5）注意断屑槽的磨削由于不锈钢切屑具有强韧的特点，刀具前刀面上断屑槽修磨应合适，从而使切削过程中断屑、容屑、排屑方便。（6）切削用量的选择根据不锈钢材料特点，加工时宜选用低速和较大进给量进行切削。采用陶瓷刀具进行镗削时，切削用量的合理选择是充分发挥陶瓷刀具性能的关键之一。陶瓷刀具连续切削时可以按照磨损耐用度与切削用量之间的关系选择切削用量；断续切削则应按照刀具破损规律确定合理切削用量。由于陶瓷刀具有优越的耐热性和耐磨性，切削用量对刀具磨损寿命的影响比硬质合金刀具要小。一般情况下，用陶瓷刀具加工时，进给量对刀具的破损影响最为敏感。因而，根据工件材料的性质，在机床功率、工艺系统刚度和刀片强度许可的前提下，在镗削不锈钢零件时，尽可能选择高的切削速度、较大的背吃刀量和比较小的进给量。（7）切削液选择要合适由于不锈钢具有极易产生粘结和散热性差的特点，因此在镗削中选用抗粘结和散热性好的切削液相当重要，如选用含氯较高的切削液，以及具有良好冷却、清洗、防锈和润滑作用的不含矿物油、不含亚酸盐的水溶液，如H1L－2合成切削液。采用上述工艺方法，可以克服不锈钢的加工难点，使不锈钢在进行钻、铰、镗孔时刀具寿命得到极大的提高，减少操作中磨刀、换刀次数，在提高生产效率和孔加工质量、降低工人劳动强度和生产成本方面，能取得令人满意的效果。