數控機床

       摘 要 研究不鏽鋼切（qiē）削加工具有實（shí）際工程價值（zhí）。分析影（yǐng）響不鏽鋼切削加工性的各種（zhǒng）因素，係統介紹近年來國內不鏽鋼切削加工研究中（zhōng）所用（yòng）的刀具材料、切削參數和潤滑液的選擇，以及一些特殊加（jiā）工方法和數（shù）值模擬仿真研究的進展情況（kuàng），為解決目前不（bú）鏽鋼切削加工技術（shù）難題提（tí）供參考。
 
       關鍵詞 不鏽鋼；切削加工；刀具；切削參數（shù）；數值模擬仿真
 
       不鏽鋼是金屬材料領域在20世紀初最偉大的發明之一，自1912年德國克虜伯公司開始工業化生產不（bú）鏽鋼以來，各種不鏽鋼的生產和應用已有100多（duō）年的曆（lì）史。我國不鏽鋼產業雖然起（qǐ）步較晚，但近十幾年來，隨著AOD冶煉技術的廣泛應用和爐（lú）外精煉設施的日趨完善，不鏽鋼生產取得（dé）突飛猛進的發展［1］。從2001年以來，我國已經成（chéng）為全（quán）球不鏽（xiù）鋼最大（dà）的消費國（guó）和生產（chǎn）國。到 2010 年，我國已形成不鏽鋼產能 1 900 萬 t，產量達1 126 萬t，各（gè）種不鏽鋼產品還遠銷世界各國［2］。
 
      目（mù）前，全世界各類（lèi）標準中（zhōng）的不鏽鋼牌號雖然有百餘種之多，但大量生（shēng）產和使用的不鏽（xiù）鋼品（pǐn）種卻隻（zhī）有馬（mǎ）氏體類、奧氏體類和鐵（tiě）素（sù）體類的十幾個（gè）牌號。由於不鏽鋼具有強度高、耐蝕性強、耐磨（mó）性好、耐熱性和低（dī）溫韌性好、化學相容性好、可裝飾性（xìng）好（hǎo）、可（kě）反複回收等諸（zhū）多優點，已被廣泛應（yīng）用於航空航天、國防軍工（gōng）、儀器儀表、生活日（rì）用品等各個領域，而且其（qí）需求量也（yě）在快速增長，從（cóng）而成為最具發展潛力的金屬材（cái）料。然而，由於不鏽（xiù）鋼切削加工困難，特別是高精密、低粗糙度不鏽鋼製品的精加工技術一直沒有很好（hǎo）地解（jiě）決，極大影響了不（bú）鏽鋼的推廣應用，是必須解決的關鍵技術之一。因此（cǐ），如（rú）果（guǒ）不（bú）能很好解決不鏽鋼的切削加工問題，將會影響我國不鏽鋼產業（yè）化鏈的形成和完善，也將會影響我國（guó）從不鏽鋼原料供（gòng）應國向產（chǎn）品製造國轉化的進程［3-4］。
 
      1 、影響不鏽鋼切（qiē）削加工性的因素（sù）
 
      研究表明，不鏽鋼的切削加（jiā）工性較中碳鋼差很多，如果將45#鋼的切削加工性能作（zuò）為100％，則奧氏體不（bú）鏽鋼（gāng）1Cr18Ni9Ti的相對切削加工性能僅為40％，鐵素體不鏽鋼為48％，馬氏體不鏽鋼2Cr13為55％，特別是奧氏體+鐵素體的雙相不鏽鋼的切削加工性就更差。
 
       1.1 化學成分的影響
   
      化（huà）學成分是影（yǐng）響不鏽鋼難切削加工（gōng）的主要因素，這是因為奧氏體不鏽鋼通常在切削應（yīng）力的作用下易於發生加工硬化，使強（qiáng）度升高，增加了切削加工的抗力。其次，不鏽鋼中往往（wǎng）含有一定量的碳、氮元素，碳與釩、鈦、铌等形成元素化合，在鋼中將形成VC、TiC、NbC等碳化物（wù），氮元素與鋁、鈦、铌等元素形成氮化物或碳氮化物，如A1N、NbN、VN、V（CN）等，這（zhè）些高硬度的顆粒大大地增加了不鏽鋼的切削抗力，而且還會對刀具造成（chéng）磨粒磨損（sǔn），使刀具的使用壽命大幅度降低。此外，由於鋁、釩、鈦元素的存在，還使得刀具材料極易發生擴散磨損，產生黏刀現象，出現刀屑瘤，影響刀（dāo）具壽命和加（jiā）工工（gōng）件表麵的質量。
 
      1.2 物理因素的影響
   
      由（yóu）於不鏽鋼的（de）加工（gōng）硬化率（lǜ）較高（gāo），特別是奧氏體（tǐ）不鏽（xiù）鋼或奧氏體+鐵素體的雙不鏽鋼更為突出，通（tōng）常加工硬化層的深度可達切削（xuē）深度的 1/3 或更大，且硬化層（céng）的硬度比（bǐ）原來可提高1.4~2.2倍。加工硬化使不鏽鋼加工部位的強度和屈服極限明顯升高，增大切削抗力，如車（chē）削1Cr18Ni9Ti的單（dān）位切削抗力（lì）為2 450 MPa，比 45#鋼高約（yuē） 25％。此外，由於（yú）不鏽鋼切削時塑性變形及與刀具間的摩擦產生的切削熱大（dà），加之不鏽鋼的導熱係數僅為（wéi） 45#鋼的 1/2~1/4，大量（liàng）切削熱都集中在切削區和刀-屑接觸的界麵上，散熱（rè）條件很差。在相
同的加工條件下，1Cr18Ni9Ti的切削溫度可比45#鋼高200 ℃左右，這就進一步（bù）加劇（jù）了刀具的磨損（sǔn），並（bìng）影響（xiǎng）工（gōng）件表麵粗糙度。特別是由於不鏽（xiù）鋼（gāng）在切削過程中塑性變形大，奧氏體不鏽鋼的伸長率是45#鋼的1.5倍以上（shàng），故車加工時切屑會連續不斷（duàn），嚴重影響切削過程（chéng）的順利進行，切屑（xiè）還會纏繞在刀具或工件上擠（jǐ）傷已加工的表麵。此外，在加工區的高溫、高壓條件下，不鏽鋼（gāng）與其他金屬的親和（hé）性很強，容（róng）易發（fā）生黏著現象，並易形成積屑瘤，從而既加劇刀具磨（mó）損，又會出（chū）現撕扯（chě）現象惡化加工表麵，含碳量較低的馬氏體不鏽鋼的這一特點更為（wéi）明顯，因而難（nán）以獲得表麵（miàn）粗（cū）糙度等級高的加工（gōng）表（biǎo）麵（miàn）［5］。
 
      2 、不鏽鋼切削加工的研究進展
 
      近年來，多方麵試驗研究使我國不鏽鋼切削加工技（jì）術（shù）有了長足進展。刀具（jù）材料、車刀幾何參數和切削用（yòng）量（liàng）的選擇將直接影響不鏽鋼加工工件的表（biǎo）麵質量和加工效率。
  
      2.1 刀具材料
 
     通常，不鏽鋼（gāng）切削刀具一般選擇紅（hóng）硬性和耐磨好的材料，如選用高速鋼（gāng）刀具時，宜選擇高性能的含鈷高速鋼或含鋁超硬高速鋼（如W6Mo5Cr4V2A1）等；用（yòng）硬質合金刀具切削不鏽鋼時，宜選用 YM10 和YT798等牌號，YM10具有極好的（de）耐高溫性能和抗黏結性能（néng），特別適宜耐熱不鏽鋼的精加工，而 YT798 抗衝擊、抗（kàng）熱（rè）振性（xìng）能好，適宜斷續（xù）車削和銑削（xuē）。應該注意，在生產中不應使用 YT 類普通硬質合金刀具，因為其韌性（xìng）、熱導率均低於YG類、YW類的硬質合金（jīn）刀具，而且由於這類硬質合金中的Ti與不鏽鋼（gāng）中的（de）Ti反應，從而使刀具磨損加（jiā）劇［6］。吳沁（qìn）等［7］通過對 T1200A 金屬陶（táo）瓷刀具、ST20E 和 YG532 超細晶粒硬質合金、1025塗層硬質合金及C45粉末冶金高速鋼幾（jǐ）種刀（dāo）具材料與315L不鏽鋼精車的加工性能進行比較，表明：T1200A適合（hé）於高速精（jīng）密切（qiē）削（xuē）；ST20E耐用（yòng）度高，尺寸控（kòng）製能（néng）力較（jiào）好，適於自動加工中使用（yòng）；YG532 雖然耐用度（dù）不（bú）如ST20E，但較便宜，是我國（guó）專門用於 316L 不鏽（xiù）鋼的專（zhuān）用刀具材（cái）料。
 
      不鏽鋼鑄件在澆鑄成形後，經過各種後續處理，表麵將（jiāng）形成（chéng）一層致密的深色氧化膜（mó）層，習慣上（shàng）稱之為“黑皮”，其硬度高達 380HB 左右；由於（yú）鑄件（jiàn）的外形一般很不規則，加工時往往出現（xiàn）斷續切削（xuē），從（cóng）而大（dà）大（dà）增加加工難度（dù）。候濤［8］通（tōng）過試驗，選擇（zé）0408-SMR-1115帶有物理（lǐ）氣相沉積（PVD）塗層的細晶粒硬質（zhì）合金解決了不鏽鋼（gāng）“黑皮”難以加工的技術難題。王培源等［9］為解決0Crl3Ni8M02A1高強度不鏽（xiù）鋼（gāng）及特種雙相不鏽鋼紡機零件切削加工難度大（dà）、刀具磨損嚴重等問題，對國內外的（de）多種銑刀進行了對（duì）比試驗，表明PVD刀（dāo）片性能優於化（huà）學氣相（xiàng）沉（chén）積（簡稱CVD）刀片。
 
      2.2 切削參數
 
      表麵粗糙度的好壞將直接影響零件的（de）裝配性、耐磨性、耐蝕（shí）性和使用壽命等，因此表麵粗糙度是不鏽鋼零件加工質量的重要評價（jià）指標之一（yī）。馬利（lì）傑等［10］認為，切削（xuē）參數是影響表麵粗糙度的重要因素，各個切削參數對表麵粗糙度影響的顯著性順序為進給量f＞切削深度 αp＞切削速度 vc。王庭俊等［11］的研究表明，為保證適宜的刀具耐用（yòng）度，在切（qiē）削不鏽鋼時（shí），切削速度 vc可用切削普通碳鋼的 40％~60％；粗加工（gōng）時吃刀量 αp=2~5 mm 為宜，精加工時吃刀量 αp=0.2~0.5mm；進給量可選取f =0.1~0.8 mm。另外，為提高加工件的表麵質量，精加工宜（yí）采用較小的進給量，但不要小於0.1 mm，以免（miǎn）在加工硬化區進行切削。李萍［12］根據研究結果，提出了不鏽鋼件（jiàn）的表麵粗（cū）糙度與車刀（dāo）角度、切削參數的參考關係，見表1。
 
        表 1 不鏽鋼（gāng）件的表麵粗（cū）糙度與車刀角度、切削參數的參考用（yòng）量
  
     

      2.3 切削液
 
      不鏽鋼切削對於切（qiē）削液的潤滑、冷卻等性能要求十分苛刻，從加（jiā）工特性和切削液成本分析，使用合成型（xíng）切削液比較合適（shì）。隨著切削液向水基型方向發（fā）展，水基合成液和（hé）半合成液已經（jīng）成為研究的熱點。李謹等［13］研製的不鏽鋼切（qiē）削（xuē）液配方的組分（質量分數）：水溶性防鏽劑為（wéi） 5%~15%，植物油酸等油性劑為 3%~8%，水溶性極壓劑為4%~8%，表（biǎo）麵活性劑為1%~3%，殺菌劑和抗（kàng）泡劑為1%~3%，堿值（zhí）保持劑和水餘量。這種合成切削液經近一年的使用，產品加工（gōng）時的（de）潤滑性、防鏽、防（fáng）腐性能（néng）良好（hǎo），完全達到不鏽鋼零件加工的精度要求，而且刀具的磨損下降約30％。
 
     2.4 特殊處理
 
     通常，高速切削（HSM）加工是在比正常切削速度高很多的速度下進行的，其特點是可大幅度提（tí）高加工效率，並具有切削溫度低和切削力小的特點。近年來的研（yán）究表明：當進給速度提高6~8倍，可（kě）比常規切削的切除率提高（gāo）3~6倍；由（yóu）於（yú）高速（sù）切（qiē）削時90%的切削熱（rè）被切屑帶走，使傳入工件的熱量（liàng）很少，且對表（biǎo）麵（miàn）變質層的影響也（yě）很小；同時，由於（yú）劇烈的摩（mó）擦作用在切削部位產生（shēng）的高溫（wēn），刀具上很難形（xíng）成積（jī）屑瘤；另外，在高速擠壓時，塑性（xìng）變形無法充分進行，減少表麵鱗剌（là）的形成，從而大（dà）大降低加工表麵的粗糙度［14］。張（zhāng）軍［15］
采用熱處理方法（fǎ）來改善不（bú）鏽鋼的切削性能，如以最難加工（gōng）的奧氏體不鏽鋼（gāng） 1Crl8Ni9Ti 為例，通（tōng）過熱處理使其切削（xuē）加工性得到改（gǎi）善（shàn），加工刀具費用降低為原（yuán）來的1/3；表麵粗糙度比處理前降低 2~3 倍；生產效率提（tí）高（gāo）了 2~5 倍。趙國（guó）華［16］通過對 12Cr18Ni9Ti 奧氏體不鏽鋼進行（háng）980 ℃×1 h 固溶處理，有效地減少了（le）熱軋態鋼中碳化物顆粒的數量，降低了材料的加工硬化和磨蝕性，使刀（dāo）具的壽命提高約 2 倍，且（qiě）使（shǐ）切（qiē）削的變形量降低了91.25%。
 
      2.5 數值模擬研究方法的應用
 
      用實驗方法進行不鏽鋼切削加工研究，設備昂貴、試驗周期長、綜合成（chéng）本很高。近年來，通過（guò）用有限元軟件進行金屬切削加工的模擬，在計（jì）算機中再現刀具與工件（jiàn）相對運動的全過程，可動態地顯示（shì）出熱流、溫度和應力場等（děng）性態，是一種研究切削加工機理的（de）有效方法。李哲等［17］借助有限元分析軟件 Third Wave 中Power-Law材料模型（xíng），對（duì）不鏽鋼1Crl8Ni9Ti的（de）切削加工（gōng）過程進（jìn）行了數值模擬，通過模擬結果與實驗數據比較，兩者誤差較小（xiǎo），表明有限元仿（fǎng）真有良好的準確性與可行性。
 
      3 、結（jié） 語
 
     縱（zòng）觀（guān）不鏽鋼的發展曆程和目前國內（nèi）外不鏽（xiù）鋼的生產狀況，由於奧氏體不鏽鋼強度低、加工困難（nán）、價格較高（gāo）等因素，已大有被鐵素體不鏽鋼和（hé）雙相不鏽鋼取（qǔ）代之勢，特別（bié）是由於我國的鉻、鎳元素資源貧乏，以錳、氮替代不鏽（xiù）鋼中鎳元素將成為必然的發展趨勢，預計今後200係列和400係列不鏽（xiù）鋼將會成為不鏽鋼生產和應用的主流。值得說明的是，在300係（xì）列不鏽鋼中加入鈦是為了克服不鏽鋼（gāng）的晶（jīng）間腐蝕，但因這（zhè）類不鏽鋼難以用先進的連續鑄造法生產，因而生產工藝複雜、成材率較低、生產成本高，加之切削加工困難等原所（suǒ）以工業發達國家大多（duō）已（yǐ）經將含鈦不（bú）鏽鋼列為淘汰鋼種不再生產（chǎn）。因此，從發展的眼光來看，不鏽鋼切削加工技（jì）術的（de）研究重點應轉（zhuǎn）向含錳的不鏽鋼（gāng）和雙相不鏽鋼，尤其要積極開展不鏽鋼切削用刀具材料、冷卻潤滑液和特種加工技術的（de）研（yán）究與開發（fā）。同時，應積（jī）極開展不（bú）鏽鋼切削加（jiā）工的計算（suàn）機數值模擬技術的應用研究，以期大幅度提高數值模擬的擬合率，這將會對不鏽鋼切削加（jiā）工參數選擇和（hé）加工工藝的改進發（fā）揮十分重要的（de）作用。可以預料，隨著不鏽鋼切削加工技術的不斷改進，會（huì）對我（wǒ）國不鏽鋼產（chǎn）業的發（fā）展和不（bú）鏽鋼製品參與世界市場的競爭產生深遠影響。