平衡不锈钢加工中的关键因素

发表时间:2015-8-13 浏览:6151

标签:锈钢加工 所属专题:切削加工

    不锈钢是一种多用途工件材料,被广泛用于重视强度、耐热性和耐腐蚀性的应用场合。然而,这些属性在使不锈钢合金成为优质结构材料的同时,也使其变得难以加工。只有在刀具的属性、槽型和应用较高的切削参数之间取得平衡,才能显著提升不锈钢加工的生产率。
    基本的不锈钢合金分为铁素体合金和马氏体合金。铁素体合金的铬含量为10%~12%,不可硬化;马氏体合金的铬和碳含量高于铁素体不锈钢,同时还添加了锰和硅,可通过热处理工艺进行硬化。为了提高不锈钢合金的强度,冶金学家在其中添加了镍,从而使铁/铬合金变为铁/铬/镍合金。这些材料被称为奥氏体不锈钢,广泛用于对强度、耐腐蚀性和耐热性要求较高的工业场合中。
    铁素体和马氏体不锈钢合金的耐腐蚀性基本上属于化学特性。而在奥氏体不锈钢中添加镍和其他元素会提高其硬度、强度、抗变形能力和热属性,导致可加工性下降。有人认为,由于合金的强度更高,机械切削力更大,因此应使用强度更高的负角槽型刀具进行加工,同时还应降低切削参数。然而,使用该方法会缩短刀具寿命、产生长切屑、频繁出现毛刺、表面粗糙度不佳并产生不必要的振动。
    实际上,切削奥氏体不锈钢需要的机械切削力并不比加工传统钢件的切削力高出许多。加工奥氏体不锈钢所需的大多数额外能耗都是由于其热属性导致的。加工抗变形的奥氏体不锈钢时,会产生过多的热量,但是奥氏体不锈钢导热性低,其切屑仅能吸收有限的热量。使进入刀具的热量过多,造成刀具寿命缩短。
    刀具制造商设计出了具有极高热硬度的硬质合金基体,足以承受不锈钢加工时产生的高温。同时,刀具切削刃的锋利度非常重要,刀具越锋利,切削的不锈钢材料越多,材料变形越少,减少了热量的产生。
    为了达到切削区散热的目的,最有效的不锈钢加工方法是尽可能采用最大的切削深度和进给率,以最大限度地增加切屑带走的热量。由于不锈钢导热性较差,每立方毫米切屑材料可吸收的热量有限,因此,形成更大体积的切屑将会带走更多的热量。另外,采用更大的切削深度还将减少加工完成一个零件所需的走刀次数,由于奥氏体不锈钢在加工时表现出应变或加工硬化趋势,因此这也是一个重要的考虑因素。
    在实际应用中,这些高参数的加工策略受到一定限制。例如,表面粗糙度要求会限制最高进给率,机床的功率以及刀具和工件的强度也会对所采用的加工参数造成限制。
    奥氏体不锈钢合金的热属性问题意味着冷却液的应用几乎成为能否成功加工这类合金的关键。冷却液必须具有较高的质量,油水乳化液中的油含量至少占8%或9%,而在很多加工中油含量通常为3%或4%。
    冷却液的应用方法也非常重要。输送到切削区的冷却液压力越高,冷却液的冷却效果就越好。采用专门的输送系统效果尤为显著,如山高的Jetstream Tooling,可以直接向切削区输送高压冷却液流。
    刀具基体表面的硬镀层增强了刀具表面的热硬度,并延长了刀具在高温环境下的使用寿命。为使刀具基体与热量隔绝,通常采用厚镀层,但厚镀层却不能很好地粘附到非常锋利的槽型上。目前,刀具制造商正致力于开发能够良好阻隔热量的薄镀层。
    奥氏体不锈钢表面延展性高,并展现出粘附刀具的趋势。因此,使用镀层还可以防止粘附性磨损,这是当切削材料粘附并积聚在切削刃上时发生的一种情况。粘附的工件材料可能会扯掉部分切削刃,从而导致表面粗糙度较差以及刀具故障。镀层可以提供润滑能力以抑制粘附性磨损,提高切削速度也有助于最大限度地减少粘附性磨损。
    一些奥氏体不锈钢合金含有磨蚀性的坚硬夹杂物,借助硬镀层可以提高刀具的耐磨蚀性,延长刀具寿命。加工时,合金的应变或加工硬化趋势会造成沟槽磨损,可以通过采用适当的镀层和其他措施(例如改变切削深度,在整个切削刃上分散磨损区域)来减轻磨损。
    刀具制造商一直专注于刀具开发工作,并希望在刀具的各个属性之间取得平衡,从而使刀具在加工特定工件材料中展现出最佳性能。研究硬质合金材质等级,寻求硬度与强度间的平衡,以使刀具不因过硬而容易断裂,但也要有足够的硬度以抵抗变形。同样,锋利的切削刃槽型是首选槽型,但其机械强度却不及钝化的切削刃。因此,切削刃槽型开发的目标是制造出锋利度和强度尽可能平衡的刀具。
    当前的加工参数大都基于传统钢件的强度和硬度特性,而没有考虑加工奥氏体不锈钢和其他高性能合金时的热量因素。最近,刀具制造商开始与研究机构合作修订刀具测试步骤,并以将特定材料的热特性考虑在内。
    新应用原则反映了新参考材料的出现。传统上,根据一种参考材料(即一种合金钢)以及加工期间产生的机械负荷来设置可加工性标准。现在增加了用于奥氏体不锈钢的单独参考材料,并已经为速度、进给量和切削深度设置了基准值。相对于该参考材料,采用平衡或校准因素来确定基值的变化,将在具有不同加工特性的材料中实现最佳生产率。
    在众多不同的切削工况和加工参数下,很多刀具都可以在各种材料中提供非常令人满意的性能。对于具有适中生产率和质量要求的一次性作业,这些刀具不失为一种经济高效的选择。然而,要实现最佳性能,刀具制造商还需要进一步控制和平衡各种刀具要素,以制造出可在特定工件材料中提供最高生产率和加工可靠性的刀具。
    刀具的基本要素包括刀具基体、镀层和槽型,每个要素都很重要。在最理想的刀具中,这些元素作为一个整体产生优于各个部分之和的效果。刀具各部分所发挥的作用各不相同。基体和镀层起被动作用,提供硬度和强度的平衡,以承受高温并抵抗化学作用、粘着性和腐蚀性;刀具槽型发挥着主动作用,因为更改槽型可以改变一定时间内去除的金属量、产生的热量、切屑形成方式以及获得的表面粗糙度情况。
    可改变性能的槽型包括山高的M3和M5传统车削槽型刀片,这些刀片采用负角(0°后角)切削刃槽型,在切削刃和刀具前刀面间采用倒棱。M3是通用的半精加工槽型,在一系列工件材料中提供良好的刀具寿命和断屑性能;M5结合了高刃口强度与相对较低的切削力,用于严苛的高进给粗加工应用场合。
    尽管 M3和M5槽型通用性及强度较好,但锋利度稍逊,并在加工奥氏体不锈钢时会因变形产生大量的热。相比之下,山高MF4和MF5槽型的刀具设计在加工不锈钢时更加有效,这些槽型采用锋利的正角槽型以及更窄的正角倒棱,可保持锋利度,并在锋利的刃口后面提供支撑。槽型设计为敞开式并能够轻快切削,便于进行钢件和不锈钢的半精加工及精加工。MF5槽型在高进给应用中尤为有效。

分享此文章的方式

我要评论:( 请您说点什么吧!)

评论 注册用户登录后才能发表评论,请登录 企业会员个人会员