自动车床车削3Cr13不锈钢的难点及对策

糍粑块

1 切削过程中的难点及原因分析

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      在零件试生产时，我们按车削普通碳钢的工艺方法对3Cr13不锈钢进行了车削试验，结果是刀具磨损非常严重，生产率极低，零件表面质量达不到要求。

      比较3Cr13钢与40钢、45钢等碳素结构钢的机械性能可知，3Cr13钢的强度比40钢和45钢高，它是一种强度高、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，导致刀具磨损严重，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。同时又容易粘刀，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，易损伤工件已加工表面，影响零件质量。所以，不能用切削45钢的工艺来切削3Cr13，也不能把通用车床上的加工方法照搬到自动车床上来。因为一般自动车床装刀较少，要求最好一次走刀就能使被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。
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, l; d. o; G! a 2 主要技术措施
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6 }8 k& F; w2 @     1) 通过热处理，改变材料的硬度
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$ y3 t# e0 j( b$ D     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0.10.10.1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，熔着性强，切削过程易产生刀瘤，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，车削加工性较好，易达到较好的表面质量。用硬度在HRC30以上的材料加工出的零件，表面质量虽然较好，但刀具易磨损。所以，在条件允许的情况下，可以在材料进厂后，先进行调质处理，硬度达到HRC25～HRC30，然后再进行切削加工。
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8 o5 q& i; h. v! W% J    2) 刀具材料的选择

      在自动车床上车削不锈钢，一般使用的硬质合金的刀具材料有：YG6、YG8、YT15、YT30、YW1、YW2等材料。
     常用的高速钢刀具有：W18Cr4V、W6M05Cr4V2AL等材料。我们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，切削速度可取高，工件表面质量好，生产率高。但是，没有这种材料的切断刀片。通过表2的对比试验，YW2硬质合金的切削性能也不错，我们选用YW2材料的刀片作为切断刀。
      表2 不同刀具材料切削对比试验
8 S, ~  g0 Z0 n: }5 ]刀具材料　刀具的几何角度　切削用量　刀具耐用度
' `) O0 Y8 G0 h3 i9 F, _# q, wmin　加工表面粗糙度
μm　
( V3 `: e# n8 @  n9 P0 F1 }( L前角γ　后角α　主偏角Kr　刃倾角λ　ν
7 x+ E) x3 [* J8 F7 e' H! Qm/min　s
mm/r　
YG8　15°　8°　90°　-10　45～55　0.1　72～82　Ra3.2　
4 G8 _, k; r- J2 ]9 B  U# kYT14　15°　8°　90°　-10　45～55　0.1　80～95　Ra3.2　
YW2　15°　8°　90°　-10　45～55　0.1　90～110　Ra3.2　
Tic-TiCN-TiN
复合涂层刀片　12°　8°　90°　-4　45～55　0.1　128～185　Ra6.3(切断用)　
Ra～Ra1.6

, P1 n, c& ]. {    3) 刀具的几何角度和结构的选取
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! h; b$ Q, I: i7 x! ]4 A    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。
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    1) 前角γ：一般车削马氏体不锈钢刀具前角取10°～20°较为适宜。
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    2) 后角α:一般取5°～8°较合适，最大不过10°。
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) j2 Z8 R: X0 V  i4 I) W  ^    3) 刃倾角λ:一般选取λ为-10°～30°。

. K/ m0 M9 ^6 L  h2 ^! R4 ^$ ?    4) 主偏角Kr应根据工件的形状、加工部位和装刀情况来选择。
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    5) 刃口表面粗糙度应不大于Ra0.4～Ra0.2。
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      在结构上，我们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，切屑将翻向待加工表面而折断，断屑情况好。而对切断刀，我们将副偏角控制在1o以内，这样可以改善排屑条件、延长刀具的使用寿命。

    1) 合理选择切削用量 [Page]
      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，走刀量s次之，吃刀量t最小，而在自动车床上一次走刀加工工件的表面，其吃刀量t是由零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。
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      走刀量s对刀具耐用度影响不如切削速度大，但会影响断屑和排屑，拉伤、擦伤工件表面，影响加工的表面质量，一般认为吃刀深度大时，走刀量应减小，而切断的走刀量又比车外圆要小。在被加工表面粗糙度要求不高时，s选用0.1mm/r～0.2mm/r。
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' g) a8 v4 G2 f5 \7 \7 H* g      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。
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  i8 `' n6 ]- Y8 ~* i& _' k2 W, N    2) 选用适当的冷却润滑液
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% f' K+ Z& z. t7 \( t3 \) t    车削不锈钢用的冷却润滑液，应该具有以下几个特点：
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" p  o! I1 P9 M    a. 高的冷却性能，保证能带走大量的切削热。
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    b. 不锈钢韧性大，切削时易产生刀瘤，恶化加工表面，这就要求冷却润滑液有高的润滑性能，能起到较好的润滑作用。
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' Z4 z: Y3 _/ t8 x. E% E! P    c. 渗透性好，对不易被切离的切屑，能起到较好的楔裂、扩散和内润滑作用。
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( y2 V* o: O5 f- g- V6 j      常用的加工不锈钢的冷却润滑液有如下几种：硫化油、硫化豆油，煤油加油酸或植物油、四氯化碳加矿物油、乳化液等。

! l0 U& k5 {' _. u$ U. s; z0 |      考虑到硫对机床有一定的腐蚀作用，植物油(如豆油)容易附在机床上结痂和变质，我们选用了四氯化碳与机油按重量比为1:9的混合物。其中四氧化碳渗透性好，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加工。

& o* m9 F6 e; U4 i      3 结论
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      由于采取了一系列措施，我们对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,提高了生产效率，零件质量完全达到设计要求。