高锰钢加工

高锰钢的切削加工

2009-5-27 13:53:19 来源:cn1yw

1．高锰钢有哪几种？其性能如何？

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锰含量约为11％～18％的钢称高锰钢。常用的铸造高锰钢zmn13的化学成分为：mn含量11％～14％，c含量1.0％～1.4％，si含量0.3％～1.0％，p含量<0.03％，s含量<0.05％。

高锰钢是一种耐磨钢，经过水韧处理的高锰钢可以得到较高的塑性和冲击韧性。所谓水韧处理，就是把钢加热到1000℃～1100℃，保温一段时间，使钢中的碳化物全部溶入奥氏体中，然后迅速冷却，使碳化物来不及从奥氏体中析出，从而保持了单一的均匀的奥氏体组织。经过水韧处理的高锰钢称为高锰奥氏体钢。其力学性能为：σb=980 mpa，σs=392 mpa，hb210，δ=80％，αk=2.94 mj／m2。

高锰钢具有很高的耐磨性，虽然它的硬度只有hb210，但它的屈服点σs较低，只有σb的40％，因此具有较高的塑性和韧性。高锰钢在受到外来压力和冲击载荷时，会产生很大的塑性变形或严重的加工硬化现象，钢被剧烈强化，硬度显著提高，可达hb450～550，因此有了较高的耐磨性。

高锰钢可分为高碳高锰耐磨钢、中碳高锰无磁钢、低碳高锰不锈钢和高锰耐热钢。几种高锰钢的牌号和性能见表5-1。

2．高锰钢有哪些切削加工特点？

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高锰钢锰含量高达11％～18％，具有较高的塑性和韧性，在切削加工中有以下特点：

(1)加工硬化严重：高锰钢在切削过程中，由于塑性变形大，奥氏体组织转变为细晶粒的马氏体组织，从而产生严重的硬化现象。加工前硬度一般为hb200～220，加工后表面硬度可达hb450～550，硬化层深度0.1～0.3 mm，其硬化程度和深度要比45号钢高几倍。严重的加工硬化使切削力增大，加剧了刀具磨损，也容易造成刀具崩刃而损坏。

(2)切削温度高：由于切削功率大，产生的热量多，而高锰钢的导热系数比不锈钢还低，只有中碳钢的1/4，所以切削区温度很高。当切削速度vc<50 m/min时，高锰钢的切削温度比45号钢高200℃～250 ℃，因此，刀具磨损严重，耐用度降低。

(3)断屑困难：高锰钢的韧性是45号钢的8倍，切削时切屑不易拳曲和折断。

(4)尺寸精度不易控制：高锰钢的线膨胀系数与黄铜差不多，在高的切削温度下，局部产生热变形，尺寸精度不易控制。切削高锰钢时，应先进行粗加工，工件冷却后再进行精加工，以保证工件的尺寸精度。

3．怎样通过热处理改善高锰钢的切削性能？

金属材料的切削性能主要取决于材料的力学、物理性能，如：强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性及线膨胀系数等。通过热处理可以改变金属材料的力学、物理性能，从而改善其切削性能。改善高锰钢的切削性能可以通过高温回火来实现。将高锰钢加热至600℃～650℃，保温两小时后冷却，使高锰钢的奥氏体组织转变为索氏体组织，其加工硬化程度显著降低，加工性能明显改善。加工完成的零件在使用前应进行淬火处理，使其内部组织重新转变为单一的奥氏体组织。

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4．切削高锰钢时怎样选择刀具材料？

高锰钢属难加工材料，对刀具材料要求较高。

一般来说，要求刀具材料红硬性高、耐磨性好，有较高的强度、韧性和导热系数。切削高锰钢可选用硬质合金、金属陶瓷做刀具材科，也可以用cn25涂层刀片或cbn(立方氮化硼)刀具。目前应用最普遍的还是硬质合金，其中yg类硬质合金具有较高的抗弯强度和冲击韧性(与yt类硬质合金比较)，可减少切削时的崩刃。同时，yg类硬质合金的导热性较好，有利于切削热从刀尖散走，降低刀尖温度，避免刀尖过热软化。yg类硬质合金的磨加工性较好，可以磨出锐利的刃口。一般情况下，刀具的耐用度取决于刀具材料的红硬性、耐磨性和冲击韧性。yg类硬质合金中含钴量较多时，抗弯强度和冲击韧性好，特别是提高了疲劳强度，因此适于在受冲击和震动的条件下作粗加工用；含钴量较少时，其硬度、耐磨性和耐热性较高，适合作连续切削的精加工。

yt类硬质合金具有较高的硬度和较高的耐热性，但与yg类硬质合金相比，其强度低、脆性大，导热性差。因此，切削高锰钢时通常选用韧性好的yg类硬质合金作刀具材料。应当注意的是，yg类硬质合金不适于高速切削，因为在高速切削钢料时，切削时的高温将使刀具前刀面上形成强烈的月牙洼磨损，并加速后刀面磨损，刀具耐用度降低。在切削速度较高且切削过程较平稳的情况下可考虑选用yt类硬质合金作刀具材料。

yg类硬质合金中添加适量的(一般为0.5％～3％左右)tac(碳化钽)或nbc(碳化铌)，可提高其硬度和耐磨性而不降低其韧性。随着硬质合金中含钴量的增加，这些优点更为显著。因此，以tac和nbc为添加剂的通用型硬质合金也适于高锰钢的切削加工。

切削高锰钢常用的硬质合金牌号有：yg8、yg6a、yg6x、yg8n、yw1、yw2a、yw3、yc45、767、798、813等。

采用金属陶瓷刀片进行高锰钢的精车、半精车，可选用较高的切削速度，加工表面质量好，刀具耐用度高。例如利用al2o3基陶瓷刀具切削50mn18cr4高锰钢比用硬质合金刀具效率提高1～4倍。

切削加工高锰钢还可选用cn25涂层刀片和cbn(立方氮化硼)刀具。在使用cbn刀具时应注意被切削材料含锰量不能高于14％，否则，cbn可能与mn元素产生化学反应使刀具磨损严重，切削性能下降。

5．切削加工高锰钢时怎样选择刀具几何参数？

高锰钢具有较高的塑性和韧性，加工硬化严重，切削温度高，断屑困难，容易造成崩刃，因此合理选择刀具的几何参数尤为重要。

(1)前角与后角：切削高锰钢时，为了减轻加工硬化，要求刀具保持锋利。但一般不可以采用大前角，因为前角大不利于保证刃口强度和改善散热条件。常采用较小前角或负前角及较大后角，但后角太大也会削弱刃口强度引起崩刃。采用硬质合金刀具时，γ0=-3°～3°，α0=8°～12°；采用陶瓷刀具时，γ0=-5°～-10°，α0=5°～10°。粗车时取小值，精车时取大值。中国国际模具网

(2)主偏角与副偏角：切削高锰钢时，主偏角应小些，这样可以增加刀具散热面积和刀尖强度，副偏角也不宜过大。选用硬质合金刀具时，一般取κr=25°～45°，κ´r=10°～20°。

工艺系统刚性好时取小值，反之可适当加大主偏角和副偏角。选用陶瓷刀具时，主偏角还可大些，一般取κr=45°～60°，精车时可取κr=60°～90°。

(3)刃倾角：为了保持刀尖部分的强度，切削高锰钢时一般应选择负刃倾角。选用硬质合金刀具时，λs =-5°～0°；选用陶瓷刀具时，λs =-10°～-5°。

(4)刀尖圆弧半径：切削高锰钢时，不论采用何种刀具材料，刀尖部分都应修磨出较大的圆弧半径，以加强刀尖强度，提高刀具耐用度。一般粗车时rε=1～2 mm；半精车时rε=0.5～1 mm；精车时rε=0.2～0.5mm。工艺系统刚性好时取大值，反之取小值。

(5)刃口倒棱：为了保证刃口有足够的强度，减少崩刃现象，一般应将刃口修磨出负倒棱。硬质合金刀具倒棱宽度bγ1=0.2～0.8 mm，倒棱前角γ01=-10°～-5°；如采用陶瓷刀具，bγ1=0.2 mm，γ01=-20°。

6．切削高锰钢时怎样选择切削用量？

高锰钢的切削加工性很差，为了维持一定的刀具耐用度，切削速度应低些。采用硬合金刀具时，vc=20～40 m/min，其中，较低的速度用于粗车，较高的速度用于半精车和精车。采用陶瓷刀具时，可以选用较高的切削速度，一般vc=50～80 m/min(如用si3n4陶瓷刀具，vc≤60 m/min)。

高锰钢在切削过程中，由于塑性变形和切削力的影响，切削层及表层下一定深度范围内会产生严重的硬化现象。为了使刀尖避开毛坯表层和前一次走刀造成的硬化层，应选择较大的切削深度和进给量。一般粗车时αp =3～6 mm，f=0.3～0.8 mm/r；大件粗车时可取αp =6～10 mm；半精车时αp =1～3 mm；f=0.2～0.4 mm/r；精车时口。≤1 mm；f≤0.2mm/r。

7．钻高锰钢硬质合金群钻有哪些特点？

在工程机械、矿山机械和越野车辆的制造中，常采用zgmn13类高锰钢。zgmn13高锰钢锰含量达11％～14％，这类钢经过水韧处理后在受到剧烈冲击压力时，会产生很强的硬化现象，硬度可达hb450～550，硬化层深度达0.3 mm左右。高锰钢在受到冲击压力发生变形的过程中，会消耗那些对钢材表面继续作用的冲击力，阻止作用力传到更深的内层去。加之高锰钢的导热系数很低，只有碳钢的1/3～1/4，给切削带来很大困难。特别是钻削时，刀具磨损严重，耐用度较低。因此，常采用硬质合金群钻进行高锰钢的钻削。

钻高锰钢硬质合金群钻的本体为40cr制造，切削部分为yg8或yw硬质合金。切削部分形状与铸铁群钻近似，只是将钻尖高h加大到0.08 d，圆弧刃的圆弧半径加大到0.4 d，以加大b点刃尖的刀尖角，提