3Cr13不锈钢数控车削加工工艺研究

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虽然在普通车床上对不锈钢类材料进行粗加工、半精加工和精加工，已不是太困难的事情。但是，在高生产率的数控车床上，怎样解决不锈钢材料切削中存在的切削力大、温度高、刀具磨 损严重、耐用度低、加工表面质量差、生产率低等问题，在一次切削加工就可达到图样的要求，还是不容易达到。笔者在加工3Cr13不锈钢材料过程中，从刀具材料的选择、刀具几何角度、结构的确定、切削用量的选取，毛坯的供应状态、润滑和冷却剂的选用等方面进行了反复试验，取得了一定的成功经验。
0 x; `/ l) J# o1 3Cr13不锈钢数控车削特点及分析
在不锈钢零件试加工时，首先笔者按车削普通碳钢的工艺方法对3Cr13钢进行了车削试验，结果是刀具磨损严重，生产率低，零件表面质量达不到要求。比较3Cr13钢、40号钢、45号钢等碳素结构钢的机械性能，3Cr13钢的强度、延伸率、断面收缩率、冲击性能等指标都比40号钢、45号钢 高，是一种强度高、塑性好的中碳马氏体不锈钢。由于切削时加工硬化严重，切削抗力大，切削温度高，引起刀具磨损严重，使磨刀次数增多，增加了停机时间和机 床调整时间，降低了生产率。又由于容易粘刀，产生积屑瘤，引起工件尺寸的变化并影响表面粗糙度，而且切屑不易卷曲和折断，又损伤工件已加工表面，直接影响 零件的质量。所以，不能用切削45号钢的工艺来切削3Cr13钢。也不能把普通车床上的加工方法照搬到数控车床上来。因为一般数控车床装刀较少，要求用最 少的走刀次数就能使加工表面达到要求的尺寸和表面粗糙度，以保证较高的生产率。 针对上述问题，笔者采取了以下几项加工工艺措施。
* n+ u* t% S; o3 L' ?3 d2 车削3Cr13不锈钢的主要加工工艺措施
7 M9 h& |, p. ^2 F1 _1) 采用热处理改变材料的硬度
5 m5 Y9 n# @4 `6 K马氏体不锈钢在热处理后的不同硬度，对车削加工的影响很大。表1所示是用YW2材料的车刀对 热处理后不同硬度的3Cr13钢的车削情况。可见，退火状态的马氏体不锈钢虽然硬度低，但车削性能差，这是因为材料塑性和韧性大，组织不均匀，粘附性强，切削过程易产生切削瘤，不易获得较好的表面质量。而调质处理后硬度在HRC30 以下的3Cr13 材料加工性较好，易达到较好的表面质量。而硬度大于HRC30 时加工出的零件，表面质量虽然较好，但刀具易磨损。所以，在材料进厂后，先进行调质处理1硬度达到HRC25～30，然后再进行切削加工。
2 ?4 i" K& [( G3 w9 X; E" c+ \表1 不同硬度3Cr13 钢的车削情况
材料硬度        切削用量        刀具耐用度T
(min)        加工表面
/ g! z7 n6 ^7 \* V粗糙度Ra
µm
9 e, y0 u3 R- @# E9 j% q5 j- I        Vc
(m/min)        f
mm/r               
  G7 j$ {8 p* t  s$ zHB240
0 O; a5 F" z2 N3 L. k, x  m(退火)        45～55        0.1        90～115        6.3～3.2
HRC25～30
(调质)        45～55        0.1        95～110        3.2
* b1 C0 x( H; `: T, Z3 BHRC35～38
( ]3 ?# L, m% D7 s1 {; r6 I(调质)        45～55        0.1        60～75        3.2
2 D( E- y6 i' I8 a  ^' K% t2) 刀具材料的选择
. u4 ^, D' K1 |* b1 {, |8 m刀具材料的切削性能关系着刀具的耐用度和生产率，刀具材料的工艺性影响着刀具本身的制造与刃磨质量。因此刀具材料宜选择硬度高、抗粘结性和韧性好 的刀具材料。笔者在切削参数相同的条件下，对几种材料的刀具进行了车削对比试验，从表2可见，采用TiC-TiCN-TiN复合涂层刀片的外圆车刀，耐用 度比较高，工件表面质量好，生产率高。这是因为这种涂层硬质合金材料的刀片，具有更好的强度和韧性，又因其表面具有更高的硬度和耐磨性，更小的摩擦系数和 更高的耐热性，而成为数控车床车削不锈钢的良好刀具材料，是加工3Cr13不锈钢的外圆车刀的首选材料。由于没有这种材料的切断刀片，通过表2的对比试验 可知，YW2硬质合金的切削性能也不错，因此可选用YW2材料的刀片作为切断刀。
: @/ x3 S1 Y$ g" `# s% u表2 几种刀具材料的切削性能对比
材料硬度        切削用量        刀具耐用度T
6 B) A. P8 f0 B2 |3 M9 v(min)        加工表面
粗糙度Ra
µm
        Vc
3 G1 j' T+ U1 T: s, Y(m/min)        f
0 T3 [, G) Q0 }- E/ c- z& fmm/r               
YG8        45～55        0.1        72～82        3.2
9 Q, x: _, b2 N$ Y' uYT14        45～55        0.1        80～95        3.2
  L& i' x6 K7 @YW2        45～55        0.1        90～110        3.2
7 d6 O% _7 ]1 b1 e; e6.3(切断)
TiC-TiCN-TiN        45～55        0.1        128～185        3.2～1.6
3) 刀具的几何角度和结构的选取
对于良好的刀具材料，选择合理的几何角度则显得尤为重要。加工不锈钢时，刀具切削部分的几何形状，一般应从前角、后角方面的选择来考虑。在选择前 角时，要考虑卷屑槽型、有无倒棱和刃倾角的正负角度大小等因素。不论何种刀具，加工不锈钢时都必须采用较大的前角。增大刀具的前角可减小切屑切离和清除过 程中所遇到的阻力。对后角选择要求不十分严格，但不宜过小，后角过小容易和工件表面产生严重摩擦，使加工表面粗糙度恶化，加速刀具磨损。并且由于强烈摩 擦，增强了不锈钢表面加工硬化的效应T 刀具后角也不宜过大，后角过大，使刀具的楔角减小，降低了切削刃的强度，加速了刀具的磨损。通常，后角应比加工普通碳钢时适当大些。一般车削马氏体不锈钢 时，刀具前角0取10°～20°较为适宜。后角0取5°～8°较合适，最大不超过10°。 此外，刃倾角s，负的刃倾角可保护刀尖，提高刀刃强度，一般选取0为-10°～30°。主偏角r应根据工件的形状、加工部位和装刀情况来选择。刃口表面粗糙度应为Ra0.4～0.2µm。 在刀具结构上，对外圆车刀采用外斜式圆弧断屑槽，靠刀尖处切屑卷曲半径大，靠外缘处切屑卷曲半径小，切屑翻向待加工表面而折断，断屑情况好。对于切断刀，可将副偏角控制在1°以内，这样可以改善排屑条件、延长刀具的使用寿命。
4) 合理选择切削用量
切削用量对工件表面质量、刀具耐用度、加工生产率影响较大。而切削理论认为，切削速度V对切削温度和刀具耐用度的影响最大，进给量f次之，ap最 小，而在数控车床上一次走刀加工的表面，其切深量ap是由工件尺寸与材料毛坯尺寸来决定的，一般为0～3mm。难加工材料的切削速度往往比普通钢的切削速 度低得多，因为速度的提高，就会使刀具严重磨损，而不同的不锈钢材料又有各自不同的最佳切削速度，这个最佳切削速度只能通过试验或查阅有关资料确定。用硬 质合金刀具进行加工时，一般推荐切削速度V=60～80m/min。 进给量f对刀具耐用度影响不如切削速度大，但会影响断屑和排屑，从而影响工件表面的拉伤、擦伤，影响加工的表面质量。被加工表面粗糙度值不高时，f选用0.1～0.2mm/r。 总之，对于难加工材料，一般选用较低的切削速度，中等的走刀量。
7 ?( c$ ?) c, o8 ^2 q5) 选用适当的冷却润滑液
" x( V) L! N/ `+ g车削不锈钢用的冷却润滑液，应该具有高的冷却性能、高的润滑性能和较好的渗透性。
高的冷却性能，保证能带走大量的切削热。不锈钢韧性大，切削时易产生积屑瘤，恶化加工表面，这就要求冷却润滑液有较高的润滑性能和较好的渗透性。常用的加工不锈钢冷却润滑液有硫化油、硫化豆油、煤油加油酸或植物油、四抓化碳加矿物油、乳化液等。
考虑到硫对机床有一定的腐蚀作用，植物油(如豆油) 容易附在机床上结痴和变质。笔者选用了四抓化碳与机油按重量比为1：9 的混合物。其中四抓化碳渗透性好，机油的润滑性好。试验证明，这种冷却润滑液适用于表面粗糙度值要求小的不锈钢零件的半精加工和精加工工序，特别适合于马 氏体类不锈钢零件的车削加工。
. {2 U7 `7 y6 C! l采取了以上加工工艺措施，对3Cr13不锈钢材料的加工已完全处于正常状态。磨刀次数只有试生产时的1/3，生产效率有比较大的提高，零件质量完全达到图样要求。

Chuansha

多谢楼主分享宝贵经验。304， 316不锈钢也采用类似措施吗？