高强度钢和超高强度钢的切削加工

高强度钢和超高强度钢的切削加工

什么是高强度钢和超高强度钢？

所谓高强度钢，是指那些在强度和韧性方面结合很好的钢种。低合金结构钢，经调质处理后，具有很好的综合力学性能。其抗拉强度σb＞1200MPa时，叫高强度钢；其抗拉强度σb＞1500MPa时，称为超高强度钢。

超高强度钢，视其合金含量的多少，可分为低合金超高强度钢(合金含量不大于6%)、中合金超高强度钢和高合金超高强度钢。

含一种合金元素的高强度合金钢有铬钢、镍钢、锰钢等；含两种合金元素的合金钢有铬镍钢、铬锰钢、铬钼钢等；含三种以上合金元素的高强度合金钢有铬锰硅钢、铬镍钨钢、铬镍钼钢、铬锰钛钢、铬锰钼钒钢等。

高强度钢和超高强度钢的原始强度和硬度并不高，但是经过调质处理后可获得较高的强度，硬度在HRC30～50之间。

钢的抗拉强度与硬度之间存在一定的关系。一般来说，硬度提高强度也随之增高，但不能说高强度钢就是高硬度钢。所谓高强度钢和超高强度钢，是指综合性能而言的。淬火钢的硬度很高，但不能称为高强度钢和超高强度钢，其原因是它的综合性能不好，几乎没有塑性，韧性也很差，只能作耐磨零件和工具。

2 高强度钢和超高强度钢有哪些切削特点？

高强度钢和超高强度钢，由于加入不同量的合金元素，经热处理后，Si、Mo、Ni等元素使固溶体强化，金相组织多为马氏体，具有很高的强度(最高可达1960MPa)和较高的硬度(HRC ＞35)，冲击韧性高于45号钢，切削时具有以下特点：

1) 刀具易磨损、耐用度低：高强度钢和超高强度钢，调质后的硬度一般在HRC50以下，但抗拉强度高，韧性也好。在切削过程中，刀具与切屑的接触长度小，切削区的应力和热量集中，易造成前刀面月牙洼磨损，增加后刀面的磨损，导致刃口崩缺或烧伤，刀具的耐用度低。

2) 切削力大：高强度钢和超高强度钢的剪切强度高，变形困难，切削力在同等的切削条件下，比切45号钢的单位切削力大1.17～1.49倍。

3) 切削温度高：这两种钢的导热性差，切削时切屑集中于刃口附近很小的接触面内，使切削温度增高。如45号钢的导热系数为50.2 W/(m·K)，而38CrNi3MoVA的导热系数为29.3 W/(m·K)，仅为45号钢的60%，切削38CrNi3MoVA时的切削温度比切削45号钢的切削温度高100℃左右。切削温度高，刀具磨损加剧。

4) 断屑困难：由于高强度钢和超高强度钢具有良好的塑性和韧性，所以切削时切屑不易拳曲和折断。切屑常缠绕在工件和刀具上，影响切削的顺利进行。

3 切削高强度钢和超高强度钢时怎样选择刀具材料？

高强度钢和超高强度钢具有很高的强度和硬度，切削时要求刀具应具有较高的红硬性、耐磨性及冲击韧性，而且不易产生粘结磨损和扩散磨损。粗加工和断续切削时，要求刀具具有抗热冲击性能。除金刚石刀具外，各种刀具材料均可以切削，在选择刀具材料时，应根据切削条件合理选择。

1) 高速钢：选用高性能高速钢切削高强度钢和超高强度钢，应根据工件材料的性能、形状、加工方法和工艺系统刚性等特点，全面考虑刀具材料的耐热性、耐磨性和韧性等。当工艺系统刚性较好、刀具型面简单时，可采用钨系、钨钼系高钒高钴高速钢；型面复杂时，可采用钨钼系、高碳低钒含铝高速钢或钨钼系高碳低钒高钴高速钢；当工艺系统刚性较差时，可采用钨钼系低钒含铝高速钢及钨钼系低钒高钴高速钢；在冲击切削条件下，宜采用钨钼系高钒高速钢、钨钼系含铌高速钢或钨钼系含铝高速钢。

2) 粉末冶金高速钢和TiN涂层高速钢：粉末冶金高速钢，是由高速钢粉末在高温(1100℃)、高压(100MPa)下直接压制，再锻造成所需要的刀具形状，加工淬火后刃磨而成。它具有硬度高、高温硬度好、耐磨性好的特点，适用于高强度钢和超高强度钢的切削。

高速钢刀具TiN涂层，可以延长刀具耐用度2～3倍，提高切削速度25%。常用的涂层高速钢刀具有：麻花钻、立铣刀、丝锥、齿轮滚刀、铰刀和插齿刀等。

3) 硬质合金：根据硬质合金的性能，它是切削高强度和超高强度钢的主要刀具材料。一般应选新型高性能硬质合金或涂层硬质合金。

4) 陶瓷刀具：它的硬度和耐热性高于硬质合金，允许的切削速度比硬质合金高1～2倍。在高强度钢和超高强度钢的切削中，陶瓷刀具主要用于车削和平面铣削的半精加工和精加工中。推荐选用Al2O3～TiC系列陶瓷，如AT6、AG2、T8、LT35、LT55等。

5) 立方氮化硼(CBN、PCBN)：这种刀具的硬度、耐磨性及耐热性很高，PCBN的强度也很高，达1500 MPa，适用于高强度钢和超高强度钢的车削和铣削，主要用于半精加工和精加工。

4 切削高强度钢和超高强度钢时怎样选择刀具几何参数？

切削高强度钢和超高强度钢，刀具几何参数的选择原则与加工一般钢材相同。但由于这种钢材的切削特点，应注意刀刃和刀尖部分的强度，以保证刀具有一定的耐用度。

刀具的耐用度，随着刀具的前角和后角改变而变化。前角大，刃口强度低，容易造成崩刃。后角小，增大了刀具与工件的摩擦，使切削温度增高，加剧刀具磨损。所以在切削时，应采用较小的前角或负前角及较大的后角。

钻削高强度钢和超高强度钢时怎样选择钻头？

钻削高强度钢，可选用高性能高速钢麻花钻或硬质合金钻头。钻削超高强度钢，一般应采用硬质合金钻头，直径大于16mm孔时，推荐选用可转位浅孔钻。

高速钢麻花钻，可选用群钻或修磨成三尖刃形的钻头。为了提高钻头的刚度，应适当增加钻心厚度，减小悬伸量。螺旋角也应小一些，一般为17°～30°。

选用硬质合金钻头时，可加大顶角，以改善排屑，一般为2kr=140°～150°。为了减小轴向力，应减小横刃，一般为0.1do(do为钻头直径)。钻头的进给前角gf=0°，进给后角af=6°～12°。可转位浅孔钻的刀片应选用涂层刀片或非涂层刀片。推荐选用的涂层刀片有：YB01、YB02、YB03；非涂层刀片有：YC10、YC30、YC40、YD20、798、813等。

硬质合金钻头

钻削高强度钢和超高强度钢时怎样选择切削用量？

钻削高强度钢和超高强度钢，比钻削一般钢材的切削速度低50％左右。选用高速钢钻头钻孔时，一般取Vc=10～15m/min，当工件材料的硬度HRC>45时，切削速度更低。进给量为f=0.03～0.3 mm/r，钻头直径小时取小值。

采用硬质合金钻头时，可以选较高的切削速度，但不能太高，必须考虑工件材料的硬度对钻头耐用度的影响。当工件材料硬度HRC>50时，钻头的速度应小于30m/min，进给量f=0.03～0.3 mm/r。高速钢和硬质合金钻头，钻削不同硬度的高强度和超高强度钢的切削速度见表8；高速钢群钻的切削用量见表9。

表8 按工件材料硬度选择切削速度

工件硬度 35～40 40～45 45～50 50～55

刀具切削速度

(m/min) 高速钢 9～12 7.6～11 4.6～7.6 2～6.6

硬质合金 72～120 30～72 22～30 ＜30

怎样攻高强度钢和超高强度钢螺纹？

攻高强度钢和超高强度钢螺纹的丝锥，可用高性能高速钢、粉末冶金高速钢等制作。当工件硬度达到HRC48～52时，应采用硬质合金丝锥。丝锥多采用跳牙丝锥和修正丝锥。丝锥的齿形角应小于2°～5°，校准部分应有17′～33′的倒锥，切削锥角取2°30′～5°，切削锥长度L1=(1/2～2/3)校准部分长度。应适当增加螺纹底孔直径与切削部分长度，减小校准部分长度。如攻制高强度钢螺纹的丝锥，丝锥的材质为含钴超硬高速钢(W2Mo9Cr4VCo8)，规格为M18×1.5，每组三支。攻丝时，使用豆油或菜子油作切削液。

铣削高强度钢和超高强度钢时怎样选择刀具及几何参数？

高强度钢和超高强度钢的室温强度很高，抗拉强度一般在1470 MPa以上。淬火后的硬度在HRC35以上，最高可达HRC58。高强度的马氏体，在切削时的剪切应力大，切削温度高，刀具磨损严重，容易崩刃或打刀。铣削时应选强度高、耐冲击和耐热性好的刀具材料，如高性