不锈钢的车削加工.docx

1、不锈钢的车削加工切削难加工材料的综合分析1.1不锈钢简介通常，人们把含辂量大于12%或含線量大于8%的合金钢叫不锈钢。这种钢在 大气中或在腐蚀性介质中具有一定的耐蚀能力，并在较高温度（450C）下具有较 高的强度。含钻量达16%18%的钢称为耐酸钢或耐酸不锈钢，习惯上通称为不 锈钢。钢中含洛量达12%以上时，在与氧化性介质接触中，由于电化学作用，表面很快 形成一层富辂的钝化膜，保护金属内部不受腐蚀；但在非氧化性腐蚀介质中，仍 不易形成坚固的钝化膜。为了提高钢的耐蚀能力，通常增大銘的比例或添加可以 促进钝化的合金元素，加Ni、Mo、Mn、Cu、Nb、Ti、W、Co等，这些元素不 仅提高了钢的抗腐

2、蚀能力，同时改变了钢的内部组织以及物理力学性能。这些合 金元素在钢中的含量不同，对不锈钢的性能产生不同的影响，有的有磁性，有的 无磁性，有的能够进行热处理，有的则不能热处理。山于不锈钢所具有的上述特性，越来越广泛地应用于航空、航天、化工、石油、 建筑和食品等工业部门及日常生活中。所含的合金元素对切削加工性影响很大， 仁2不锈钢的分类不锈钢按其成分，可分为以锯为主的锯不锈钢和以锯、银为主的锯傑不锈钢 两大类。工业上常用的不锈钢一般按金相组织分类，可分为以下五大类：1） 马氏体不锈钢：含珞量12%18%,含碳量0.1%0.5%（有时达1%）,常见的 有 153、2CM3、3013、4CM3、1Cr

3、17Ni2 958、9Cr18MoV 30Cr13Mo 等。2） 铁素体不锈钢：含銘量12%30%,常见的有0Cr13、0Cr17Tk 0Cr13Si4NbRE 157、1Cr17Tk 1Cr17M02Ti. 1Cr25Tk 1Cr28 等。3） 奥氏体不锈钢：含络量12%25%,含银量7%20%（或20%以上），最典型的代 表是 1Cr18Ni9Ti，常见的还有 00Cr18Ni10 00Cr18Ni14Mo2Cu2. 0Cr18Ni12Mo 2Ti、0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti. 0Cr23Ni28M03Cu3Tk 1Cr14Mn14Ni 2Cr13Mn9Ni4 1Cr18Mn8Ni

4、5N 等。4） 奥氏体+铁素体不锈钢：与奥氏体不锈钢相似，仅在组织中含有一定量的铁素 体，常见的有 0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti 1Cr18Mn10Ni5M03N. 0Cr17Mn13Mo2 N、1Cr17Mn9Ni3M03Cu2N. Cr2bNi17M03CuSiN 1Cr18Ni11Si4AlTi 等。5） 沉淀硬化不锈钢：含有较高的辂、镰和很低的碳，常见的有0Cr17Ni4Cu4Nb.0Cr17Ni7AL 0Cr15N17M02AI 等。前两类为辂不锈钢，后三类为钻银不锈钢。1.3不锈钢的物理、力学性能马氏体不锈钢：能进行淬火，淬火后具有较高的硬度、强度和耐磨性及良好 的抗

5、氧化性，有的有磁性，但内应力大且脆。经低温回火后可消除其应力，提高 塑性，切削加工较困难，有切屑擦伤或粘结的明显趋向，刀具易磨损。当钢中含碳量低于0.3%时，组织不均匀，粘附性强，切削时容易产生积屑瘤， 且断屑困难，工件已加工表面质量低。含碳量达0.4%0.5%时，切削加工性较 好。马氏体不锈钢经调质处理后，可获得优良的综合力学性能，其切削加工性比退火 状态有很大改善。铁素体不锈钢：加热冷却时组织稳定，不发生相变，故热处理不能使其强化，只 能黑变形强化，性能较脆，切削加工性一般较好。切屑呈带状，切屑容易擦伤或 粘结于切削刃上，从而增大切削力，切削温度升高，同时可能使工件表面产生撕 裂现象。奥氏

6、体不锈钢：山于含有较多的傑（或猛），加热时组织不变，故淬火不能使其强 化，可略改善其加工性。通过冷加工硬化可大幅度提高强度，如果再经时效处理, 抗拉强度可达25502740 MPa。奥氏体不锈钢切削时的带状切屑连绵不断，断屑困难，极易产生加工硬化，硬化 层给下一次切削带来很大难度，使刀具急剧磨损，刀具耐用度大幅度下降。奥氏体不锈钢具有优良的力学性能，良好的耐蚀能力，较突出的是冷变形能力， 无磁性。奥氏体+铁素体不锈钢：有硬度极高的金属间化合物析出，强度比奥氏体不锈钢 高，其切削加工性更差。沉淀硬化不锈钢：含有能起沉淀硬化的铠、铝、钳、钛等合金元素，它们在回火 时时效析出，产生沉淀硬化，使钢具有

7、很高的强度和硬度。由于含碳量低保证了 足够的含钻量，因此具有良好的耐腐蚀性能。1.4不锈钢的切削特点不锈钢的切削加工性比中碳钢差得多。以普通45号钢的切削加工性作为10 0%,奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti的相对切削加工性为40%；铁素体不锈钢1Cr28 为48%；马氏体不锈钢2Cr13为55%。其中，以奥氏体和奥氏体+铁素体不锈钢 的切削加工性最差。不锈钢在切削过程中有如下儿方面特点：1）加工硬化严重：在不锈钢中，以奥氏体和奥氏体+铁素体不锈钢的加工硬化现 象最为突出。如奥氏体不锈钢硬化后的强度b达14701960MPa,而且随b 的提高，屈服极限s升高；退火状态的奥氏体不锈钢s不超过的。

8、b30%45%, 而加工硬化后达85%95%。加工硬化层的深度可达切削深度的1/3或更大；硬 化层的硬度比原来的提高142.2倍。因为不锈钢的塑性大，塑性变形时品格 歪扭，强化系数很大；且奥氏体不够稳定，在切削应力的作用下，部分奥氏体会 转变为马氏体；再加上化合物杂质在切削热的作用下，易于分解呈弥散分布，使 切削加工时产生硬化层。前一次进给或前一道工序所产生的加丄硬化现象严重影 响后续工序的顺利进行。2） 切削力大：不锈钢在切削过程中塑性变形大，尤其是奥氏体不锈钢（其伸长率 超过45号钢的1.5倍以上），使切削力增加。同时，不锈钢的加工硬化严重，热 强度高，进一步增大了切削抗力，切屑的卷曲折断

9、也比较困难。因此加工不锈钢 的切削力大，如车削1Cr18Ni9Ti的单位切削力为2450MPa，比45号钢高25%。3） 切削温度高：切削时塑性变形及与刀具间的摩擦都很大，产生的切削热多； 加上不锈钢的导热系数约为45号钢的场，大量切削热都集中在切削区和刀一 屑接触的界面上，散热条件差。在相同的条件下，1Cr18Ni9Ti的切削温度比45 号钢高200C左右。4） 切屑不易折断、易粘结：不锈钢的塑性、韧性都很大，车加工时切屑连绵不 断，不仅影响操作的顺利进行，切屑还会挤伤已加工表面。在高温、高压下，不 锈钢与其他金属的亲和性强，易产生粘附现象，并形成积屑瘤，既加剧刀具磨损, 乂会出现撕扯现象而

10、使已加匸表面恶化。含碳量较低的马氏体不锈钢的这一特点 更为明显。5） 刀具易磨损：切削不锈钢过程中的亲和作用，使刀一屑间产生粘结、扩散， 从而使刀具产生粘结磨损、扩散磨损，致使刀具前刀面产主月牙洼，切削刃还会 形成微小的剥落和缺口；加上不锈钢中的碳化物（如TiC）微粒硬度很高，切削时 直接与刀具接触、摩擦，擦伤刀具，还有加工硬化现象，均会使刀具磨损加剧。6） 线膨胀系数大：不锈钢的线膨胀系数约为碳素钢的1.5倍，在切削温度作用 下，工件容易产生热变形，尺寸精度较难控制二 改善难加工材料加工性的有效途径2.1切削不锈钢时刀具材料的选择合理选择刀具材料是保证高效率切削加工不锈钢的重要条件。根据不锈

11、钢的 切削特点，要求刀具材料应具有耐热性好、耐磨性高、与不锈钢的亲和作用小等 特点。LI前常用的刀具材料有高速钢和硬质合金。1)高速钢的选择：高速钢主要用来制造铳刀、钻头、丝锥、拉刀等复杂多刃刀 具。普通高速钢W18Cr4V使用时刀具耐用度很低已不符合需要，采用新型高速 钢刀具切削不锈钢可获得较好的效果。在相同的车削条件下，用W18Cr4V和95w18Cr4V两种材料的刀具加工1Cr17Ni 2工件，刀具刃磨一次加工的件数分别为23件和12件，用95w18Cr4V的刀 具耐用度提高了儿倍。这是曲于提高了钢的含碳量，从而增加了钢中碳化物含量, 常温硬度提高2HRC红硬性更好，600C时山W18C

12、r4V的HRC48.5上升到HRC5 152,耐磨性比W18Cr4V提高23倍。应用高饥高速钢W12Cr4V4Mo制作型面铳刀加工1Cr17Ni2可以获得较高的刀具 耐用度。因为含锐量增加，可在钢中形成硬度很高的VC,细小的VC存在于晶 介，可以阻止晶粒长大，提高钢的耐磨性；W12Cr4V4M。的红硬性很好，600C 时硬度可达HRC51.7,因此适合于制作切削不锈钢的各种复杂刀具。但其强度( b=3140 MPa)及冲击韧性(ak=2.5 J/cM)略低于W18Cr4V,使用时要稍加注意。随着刀具制作技术的不断发展，对于批量大的工件，釆用硬质合金多刃、复杂刀 具进行切削加工效果会更好。2）硬

13、质合金的选择：YG类硬质合金的韧性较好，可采用较大的前角，刀刃也可 以磨得锋利些，使切削轻快，且切屑与刀具不易产生粘结，较适于加工不锈钢。 特别是在振动的粗车和断续切削时，YG类合金的这一优点更为重要。另外，YG 类合金的导热性较好，其导热系数比高速钢高将近两倍，比YT类合金高一倍。 因此YG类合金在不锈钢切削中应用较多，特别是在粗车刀、切断刀、扩孔钻及 铁刀等制造中应用更为广泛。较长时期以来，一般都采用YG6、YG8、YG8N、YW1、YW2等普通牌号的 硬质合金作为切削不锈钢的刀具材料，但均不能获得较理想的效果；采用新牌号 硬质合金如 813、758、767、640、712、798、YM0

14、51. YM052、YM10. YS2T、 YD15等，切削不锈钢可获得较好的效果。而用813牌号硬质合金刀具切削奥氏 体不锈钢效果很好，因为813合金既具有较高的硬度（HRA91）.强度（b=1570 MPa）, 乂具有良好的高温韧性、抗氧化性、抗粘结性，其组织致密耐磨性好。6切削不锈钢时刀具几何参数的选择前角：不锈钢的硬度、强度并不高，但其塑性、韧性都较好，热强性高，切 削时切屑不易被切离。在保证刀具有足够强度的前提下，应选用较大的前角，这 样不仅能够减小被切削金属的塑性变形，而且可以降低切削力和切削温度，同时 使硬化层深度减小。车削各种不锈钢的前角大致为1230。对马氏体不锈钢（如2Cr

15、13）,前角 可取较大值；对奥氏体和奥氏体+铁素体不锈钢，前角应取较小值；对未经调质 处理或调质后硬度较低的不锈钢，可取较大前角；直径较小或薄壁工件，宜采用 较大的前角。高速钢铳刀取n=1020,硬质合金铳刀取声510；狡刀一般取0=8 12；丝锥一般取0=1520（机用）或o=2O（手用）。后角：加大后角能减小后刀面与加工表面的摩擦，但会使切削刃的强度和散热能 力降低。后角的合理值取决于切削厚度，切削厚度小时，宜选较大后角。不锈钢车刀或锂刀通常取ohO20（精加工）或o=610（粗加工）；高速钢 端铳刀取0=020,立铳刀取0=1520；硬度合金端铳刀取o=510,立铳刀取0=1216；狡刀

16、和丝锥取o=812。双刃倾角断屑车刀主偏角、副偏角；，和r :减小偏角可增加刀刃工作长度，有利于散热, 但在切削过程中使径向力加大，容易产生振动，常取 详4575,若机床刚性 不足，可适当加大。副偏角常取产815。为了加强刀尖，一般应磨出=0. 51.0 mm的刀尖圆弧。刃倾角：为了增加刀尖强度，刃倾角一般取s=-83,断续切削时取较 大值s=-155。生产实践中，为了加大切屑变形，提高刀尖强度与散热能力，采用双刃倾角 车刀，取得了良好的断屑效果，也加宽了断屑范围，如图1所示。第一刃倾角 s10,第二刃倾角在接近刀尖部位，s2=-20,第二刃倾角的刀刃长度I S2o Bp/ 3o当双刃倾角车刀

17、的0=20 0=68、 产90或75、倒棱前角oi=-10 r =0.150.2 mm 时，在 Vc=80100 m/min 仁0.20.3 mm/r、ap=4 15 mm的条件下切削，断屑效果良好，刀具耐用度高。要求刀具询后刀面的表面粗糙度值小，刀具磨钝标锥VB为加工一般材料的1/2。7切削不锈钢时刀具断屑槽和刃口形式的选择切削不锈钢时还应选择合适的刀具断（卷）屑槽，以便控制连绵不断的切屑， 通常采用全圆弧形或直线圆弧形断（卷）屑槽。断（卷）屑槽的宽度Bn=35 mm, 槽深h=0513 mm, Rn=28 mm。一般情况下,粗车时即、f大，断倦）屑 槽宜宽而浅；精车时ap、f小，应窄而深些

18、。断（卷）屑槽的形式见图2。切削加工过程中，如果发生切屑缠绕在工件或刀具上的现象，表示断（卷）屑槽过 宽过浅，可加大进给量，使切屑折断；如果切屑挤轧在槽内，发出吱吱叫声，或 切屑飞溅伤人，表示断（卷）屑槽太窄太深，这时可减小进给量。同时还要注意控 制断（卷）屑槽的位置。断（卷）屑槽的尺寸见表1、表2和表3。表1外圆车刀断（卷）屑槽尺寸表2镇刀断（卷）屑槽尺寸工件直径（mm）半径宽度Rn Bn(mm) (mm)前角0C)倒棱尺寸b（mm）镇孔 直径 （mm）半径Rn(mm)加工1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢及 中等硬度2Cr13马氏体不锈钢加工耐浓硝酸 不锈钢及较硬的 253、3Cr13等马

19、氏体不锈钢201.5242精车：0.05-0.102.5337203330表3切断刀断(卷)屑槽尺寸切断直径(mm)20 5050 80 80-120半径Rn (mm)2.53.2 4.23.24.55.54.25.56.5 5.56.5 8宽度Bn (mm)34 5456567 67 8前角0 ()3739 36.53930.53336.53332.5 3332.5308切削用量的选择切削用量对加丄不锈钢时的加工硬化、切削力、切削热等有很大影响, 特别是对刀具耐用度的影响较大。选择的切削用量合理与否，将直接影响 切削效果。加工不锈钢的切削用量见表4和表5o表4车螺纹和钻、扩、较孔时的切削用量

20、工序名称切削速度vc(m/min)进给量f(mm/r)切削深度ap(mm)车螺纹20 50011钻孔12 20010.2517.5扩孔8-18010.4011较孔25501020102注：刀具材料为高速钢1 切削速度Vc：加工不锈钢时切削速度稍微提高一点，切削温度就会高出许多, 刀具磨损加剧，耐用度则大幅度下降。为了保证合理的刀具耐用度，就要降低切削速度，一般按车削普通碳钢的40% 60%选取。锤孔和切断时，山于刀具刚性、散热条件、冷却润滑效果及排屑情况 都比车外圆差，切削速度还要适当降低。不同种类的不锈钢的切削加工性各不相同，切削速度也需相应调整。一般1Cr18 Ni9Ti等奥氏体不锈钢的切

21、削速度校正系数Kv为1.0,硬度在HRC28以下的2cr 13等马氏体不锈钢的Kv为1.3-1.5,硬度为HRC2835的2Cr13等马氏体不 锈钢的Kv为0.9,硬度在HRC35以上的2Cr13等马氏体不锈钢的Kv为0.70.8,耐浓硝酸不锈钢的Kv为0.60.7。2切削深度如：粗加工时余量较大，应选用较大的切深，可减少走刀次数，同时 可避免刀尖与毛坯表皮接触，减轻刀具磨损。但加大切深应注意不要因切削力过 大而引起振动，可选如=25 mm3精加工时可选较小的切削深度，还要避开硬 化层，一般采用ap=0.20.5 mm。3进给量f：进给量的增大不仅受到机床动力的限制，而且切削残留高度和积屑 瘤

22、高度都随进给量的增加而加大，因此进给量不能过大。为提高加工表面质量， 精加工时应采用较小的进给量。同时，应注意f不得小于01 mm/r,避免微量 进给，以免在加工硬化区进行切削，并且应注意切削刃不要在切削表面停留。表5不锈钢的常用切削用量工件 直径 范围 (mm)车外圆镇孔切断粗加工精加工主轴转速n(m/min)进给量f(mm/r)主轴转速n(m/min)进给量f(mm/r)主轴转速n(m/min)进给量f(mm/r)主轴转速n(m/min)进给量f(mm/r)1020955765955765955600955765手动2040765480765480765480765600406048038

23、00.27 0.816003800100.304803800100.506104800100.256080380305480305380-230180305801003052303802303051853802300080.20230305230305100150150185150150150200185120230150185120150以下注:1 工件材料:1Cr18Ni9Ti；刀具材料：YG8。2.表中较小的直径选用较高的主轴转速，较大的直径选用较低的转速。3F工件材料和刀具材料不同时，主轴转速应根据具体情况作适半校 正。9选择切削液和冷却方式山于不锈钢的切削加工性较差，对切削液的冷却、

24、润滑、渗透及清洗性能有更高 的要求，常用的切削液有以下儿类：1 硫化油：是以硫为极压添加剂的切削油。切削过程中能在金属表面形成高熔点 硫化物，而且在高温下不易破坏，具有良好的润滑作用，并有一定的冷却效果， 适用于一般车削、钻孔、钱孔及攻丝。硫化豆油适用于钻、扩、狡孔等工序。直接硫化油的配方是：矿物油98%,硫2%。间接硫化油的配方是：矿物油78%80%,植物油或猪油18%20%,硫1.7%机油、锭子油等矿物油：其润滑性能较好，但冷却和渗透性较差，适用于外圆精 车。植物油：如菜油、豆油等，其润滑性能较好，适用于车螺纹及钱孔、攻丝等工序。 乳化液：具有较好的冷却和清洗性能。也有一定的润滑作用，可用

25、于不锈钢粗 车。在切削加工过程中应使切削液喷嘴对准切削区，或最好采用高圧冷却、喷雾冷却等冷却方式。10不锈钢的铳削加工铳削不锈钢的特点是：不锈钢的粘附性及熔着性强，切屑容易粘附在铳刀刀 齿上，使切削条件恶化；逆铳时，刀齿先在已经硬化的表面上滑行，增加了加工 硬化的趋势；铳削时冲击、振动较大，使铳刀刀齿易崩刃和磨损。铳削不锈钢除端铳刀和部分立铳刀可用硬质合金作铳刀刀齿材料外，其余各 类铳刀均釆用高速钢，特别是鹄-钮系和高锐高速钢具有良好的效果，其刀具耐 用度可比W18Cr4V提高12倍。适宜制作不锈钢铳刀的硬质合金牌号有YG8、 YW2、813、798、YS2T、YS30、YS25 等。铳削不锈

26、钢时，切削刃既要锋利乂要能承受冲击，容屑槽要大。可采用大螺 旋角铳刀(圆柱铳刀、立铳刀)，螺旋角 从20增加到45( n=5),刀具耐用度 可提高2倍以上，因为此时铳刀的工作前角Oe由11增加到27以上，铳削轻 快。但值不宜再大，特别是立铳刀以w35为宜，以免削弱刀齿。采用波形刃立铳刀加工不锈钢管材或薄壁件，切削轻快，振动小，切屑易碎，工 件不变形。用硬质合金立铳刀高速铳削、可转位端铳刀铳削不锈钢都能取得良好 的效果。用银白屑(SWC)端铳刀铳削1Cr18Ni9Ti,其儿何参数为f=5 P=15f=15 p=5 r=55 7=35 oi=-3O b =0.4mm、r =6mm,当 Vc二509

27、0 m/min Vf=630750mm/min、ap=26mm 并且每齿进给量达 0.40. 8mm 铳削力减小10%15%,铳削功率下降44%,效率也大大提高。其原理 是在主切削刃上磨出负倒棱，铳削时人为地产生积屑瘤，使其代替切削刃进行切 削，积屑瘤的前角b可达20302, ill于主偏角的作用，积屑瘤受到一个前刀 面上产生的平行于切削刃的推力作用而成为副屑流出，从而带走了切削热，降低 了切削温度。铳削不锈钢时，应尽可能采用顺铳法加工。不对称顺铳法能保证切削刃平稳 地从金属中切离，切屑粘结接触面积较小，在高速离心力的作用下易被甩掉，以 免刀齿重新切入工件时，切屑冲击前刀面产生剥落和崩刃现象，

28、提高刀具的耐用 度。采用喷雾冷却法效果最为显著，可提高铳刀耐用度一倍以上；如用一般10% 乳化液冷却，应保证切削液流量达到充分冷却。硬质合金铳刀铳削不锈钢时，取 Vc=70150 m/min, Vf=37.5150 mm/min,同时应根据合金牌号及工件材料 的不同作适当调整。高速钢铳刀的切削用量见表6。门钻孔及钻孔时应注意的问题在不锈钢工件上钻孔常采用麻花钻，对淬硬不锈钢，可用硬质合金钻头，有 条件时可用超硬高速钢或超细晶粒硬质合金钻头。钻孔时扭矩和轴向力大，切屑 易粘结、不易折断且排屑困难，加工硬化加剧，钻头转角处易磨损，钻头刚性差易产生振动。因此要求钻头磨出分屑槽，修磨横刃以减小轴向力，

29、修磨成双顶角 以改善散热条件。钻削不锈钢的典型钻头（即不锈钢群钻）如图3所示。图5 S形硬质合金钻头图 3 中 L=O.32do, L/2LiL/3, R=O.2d0, h=O.O4d0, b=0.04d0o 使用这种钻头 钻削1Cr18Ni9Ti时，对020 mm、025 mm.咀mm三种直径的钻头，釆用n =105 r/min, f=0.32 mm/r、0.4 mm/r 0.56 mm/r、0.67 mm/r 四种不同的 进给量均可顺利地断屑和排屑。还可釆用不锈钢断屑钻头（图4）、S形硬质合金 钻头（图5）、四刃带钻头（图6）及可转位硬质合金浅孔钻。用不锈钢断屑钻头（图4） 加工马氏体不锈钢2013时，只需磨出E-E处断屑槽：而钻削加工lCrl8Ni9Ti奥 氏体不锈钢时，还需加开AA处断屑槽。不锈钢断屑钻头的具体参数及适用的钻 削用量见表7oS形硬质合金钻头的特点是：无横刃，可减小轴向力50%；钻心处前角为正 值，刃口锋利；钻心厚度增大，提高了钻头刚性；有两个喷切削液孔；圆弧形切 削刃及排屑槽分布合理，便于切屑成小块，以利排出。可转位硬质合金浅孔钻的特点是：钻头前端不