不銹鋼材料切削加工的難點分析與解決方法

新產品的不斷涌現對零件的材料提出了更高的要求,所需材料有時必須滿足高硬度、高耐磨性、高韌性等特殊要求,由此產生了一批難加工材料,對加工工藝提出了更高的要求。本文以不銹鋼管等難加工材料為對象,結合我所加工遇到的實際問題,分析不銹鋼管的加工難點,并提出了切實有效的解決方法。

1.引言

與優質碳素結構鋼相比,不銹鋼材料加入了CrNiNNbMo等合金元素。這些合金元素的增加,不僅提高了鋼的耐蝕性,對不銹鋼管的機械性能也有一定影響。如馬氏體不銹鋼管4Cr1345號中碳鋼相比,具有相同的含碳量,但相對切削加工性只有45鋼的58%;奧氏體不銹1Cr18Ni9Ti只有40%,而奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼管韌性高、切削性更差。

2.不銹鋼材料切削難點分析

在實際加工中,切削不銹鋼管往往伴隨著斷刀、粘刀現象的發生。由于不銹鋼管在切削時塑性變形大,產生的切屑不易折斷、易粘結,導致在切削過程中加工硬化嚴重,每一次走刀都對下一次切削產生硬化層,經過層層積累,不銹鋼管在切削過程中的硬度越來越大,需要的切削力也隨之升高。

加工硬化層的產生、切削力的增高必然導致刀具與工件之間的摩擦增大,切削溫度也隨之升高。并且,不銹鋼管的導熱系數較小,散熱條件差,大量切削熱集中刀具與工件之間,使已加工表面惡化,嚴重影響了已加工表面的質量。而且,切削溫度的升高會加劇刀具磨損,使刀具前刀面產生月牙洼,切削刃產生缺口,從而影響工件表面質量,降低了工作效率,增加了生產成本。

3.提高不銹鋼管加工質量的方法

由上可以看出,不銹鋼管的加工比較困難,切削時易產生硬化層,容易斷刀;產生的切屑不易折斷,導致粘刀,會加劇刀具的磨損。針對不銹鋼管這些切削特點,結合生產實際,我們從刀具材料、切削參數及冷卻方式三方面入手,找到提高不銹鋼管加工質量的方法。

3.1刀具材料的選擇

選擇合適的刀具是加工出高質量零件的基礎。刀具太差,加工不出合格的零件;選擇過好的刀具,雖然能滿足零件的表面質量要求,但容易造成浪費,提高了生產成本。結合不銹鋼管切削時散熱條件差、產生加工硬化層、易粘刀等特點,選擇的刀具材料應滿足耐熱性好、耐磨性高、與不銹鋼管親和作用小的特點。

3.1.1高速鋼

高速鋼是加入WMoCrVGo等合金元素的高合金工具鋼,具有較好的工藝性能,強度和韌性配合好,抗沖擊振動的能力較強。在高速切削產生高熱情況下(約500℃)仍能保持高的硬度(HRC仍在60以上),高速鋼紅硬性好,適合制作銑刀、車刀等銑削刀具,可以滿足不銹鋼管切削時產生的硬化層及散熱性差等切削環境。

W18Cr4V是最典型的高速鋼刀具,自1906年誕生以來,已經被廣泛制作成各種刀具以滿足切削加工的需要。但隨著各種被加工材料機械性能的不斷提高,W18Cr4V刀具已經不能滿足難加工材料的加工要求。高性能的鈷高速鋼應時而生。與普通高速鋼相比,鈷高速鋼具有更好的耐磨性、紅硬性和使用的可靠性,適合高切除率加工和斷續切削加工,常用牌號如W12Cr4V5Co5

3.1.2硬質合金鋼

硬質合金是以高硬度難熔金屬的碳化物(WCTiC)微米級粉末為主要成分,以鈷或鎳、鉬為粘結劑,在真空爐或氫氣還原爐中燒結而成的粉末冶金制品。硬質合金具有強度和韌性較好,耐熱、耐磨、耐腐蝕、硬度高等一系列優良性能。在500℃的溫度下也基本保持不變,在1000℃時仍有很高的硬度,適合不銹鋼管、耐熱鋼等難加工材料的切削加工。常見硬質合金主要分為三類:YG類(鎢鈷類硬質合金)、YT類(鎢鈦鈷類)、YW類(鎢鈦鉭(鈮)類),這三種合金的成分不同,用途也有很大差別。其中YG類硬質合金由于具有較好的韌性,導熱性也較好,可以選擇較大的前角,適合不銹鋼管的切削。

3.2切削不銹鋼管刀具幾何參數的選擇

1)前角γo:結合不銹鋼管強度高、韌性好、切削時切屑不易被切離等特點,在保證刀具有足夠強度的前提下,應選用較大的前角,這樣既可以減小加工對象的塑性變形,也能夠降低切削溫度和切削力,同時減少硬化層的產生。

2)后角αo:增加后角將減小加工表面與后刀面的摩擦,但切削刃的散熱能力和強度也隨之降低。后角的大小取決于切削厚度,切削厚度大時,宜選較小后角。

3)主偏角kr、副偏角kr、:主偏角kr的減小可增加刀刃工作長度,有利于散熱,但在切削時會增加徑向力,容易產生振動,常取kr值為50°~90°,若機床剛性不足,可適當加大。副偏角常取kr=9°~15°。

4)刃傾角λs:為了增加刀尖強度,刃傾角一般取λs=7°~-3°。

3.3切削液和冷去方式的選擇

由于不銹鋼管的切削加工性較差,對切削液的冷卻、潤滑、滲透及清洗性能有更高的要求,常用的切削液有以下幾類:

1)乳化液:比較常見的冷卻方式,具有較好的冷卻、清洗、潤滑性能,常用于不銹鋼管粗車。

2)硫化油:切削過程中能在金屬表面形成高熔點硫化物,而且在高溫下不易破壞,具有良好的潤滑作用,并有一定的冷卻效果,一般用于鉆孔、鉸孔及攻絲。

3)機油、錠子油等礦物油:其潤滑性能較好,但冷卻和滲透性較差,適用于外圓精車。

在切削加工過程中應使切削液噴嘴對準切削區,或最好采用高壓冷卻,噴霧冷卻等冷卻方式。

4.以把手為例子,分析不銹鋼管銑削過程中的加工方法

該零件雖然結構簡單,但零件材料為1Cr18Ni9Ti,屬于奧氏體不銹鋼管,厚度12,切削量較大,加工硬化嚴重。

若采用逆銑,則刀齒先在已經硬化的表面上滑行,加工硬化會更嚴重,所以此零件最好采用順銑加工外形尺寸,以便減小加工硬化以及銑削時帶來的沖擊、振動,保護銑刀刀齒不易崩刃。不對稱順銑法能保證切削刃平穩地從金屬中切離,切屑粘結接觸面積小,在高速離心力的作用下易被甩掉,以免刀齒重新切入工件時,切屑沖擊前刀面產生剝落和崩刃現象,提高刀具的耐用度,零件外形圖見圖1

另外,選用哪種銑刀呢?針對上述不銹鋼管難加工的特點,我們發現銑削不銹鋼管的刀具應滿足以下這些特點:切削刃要鋒利,又要能承受沖擊,容屑槽也要大。結合零件外形尺寸以及我所的實際生產,選用大螺旋角銑刀(包括圓柱銑刀、立銑刀)能夠滿足上述條件,同時若把所選刀具螺旋角從20°增加到40°,刀具耐用度也可提高1.5倍以上。

選擇高速鋼立銑刀,銑刀直徑16,轉速300r/min,進給量37.5mm/min銑出六面尺寸。由于不銹鋼管銑削時產生大量的熱量,故應選擇合適的冷卻方式。理論上采用噴霧冷卻法效果最為顯著,可提高銑刀耐用度一倍以上,但這種冷卻方式不適用于我們的工作場所,故這里采用10%乳化液冷卻,并保證切削液流量達到充分冷卻。鉗工劃出外形線,需要銑零件的外形尺寸。分析零件內腔有2-R4內角,需選用直徑為8的銑刀。由于銑刀直徑較小,轉速高,故應選擇刀耐熱性好、耐磨性高、與不銹鋼管的親和作用小的硬質合金鋼。因為硬質合金鋼具有較高的硬度(701 75HRC),耐850℃~1000℃的高溫,具有良好的耐磨性和耐熱性以及高硬度,其切削速度也比高速鋼刀具提高23倍,正適合這里的高速切削。加工過程中應勤于觀察,及時清除刀齒周圍的粘屑,防止粘刀,避免損傷已加工面。

5.結語

綜上所述,雖然不銹鋼管的切削性差,具有加工硬化嚴重、切削力大、導熱系數低、易粘刀、易磨損刀具等缺點,但只要找到合適的加工方法,采用合適的刀具、切削方式以及切削用量,選擇合適的冷卻液,在工作中勤于思考,不銹鋼管等難加工材料也就迎“刃”而解了。

文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|小口徑厚壁鋼管

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