不锈钢切削加工

不锈钢切削加工

摘要：不锈钢属于常见的难加工金属材料，因其韧性大、切削热高、导热性差、加工硬化严重等特点，使切削加工十分困难。本文针对不锈钢材料切削加工的特点，简要介绍了不锈钢的种类和切削特点，以及刀具材料、刀具几何参数、切削用量、冷却润滑液的一些基本选择方法。

关键词：不锈钢；特点；刀具；措施

1 引言

不锈钢是一种含铬量大于12%或含镍量大于8%合金钢，在空气中或化学腐蚀介质中有一定的耐腐蚀性能，不必经过镀色等表面处理，在高温(>450℃)下具有较高的强度，所含的合金元素对切削加工性影响很大，甚至很难切削。

2 不锈钢的种类

不锈钢种类很多，性能各异，常见的有五个基本种类：奥氏体不锈钢，铁素体不锈钢，马氏体不锈钢，双相不锈钢，沉淀硬化型不锈钢。

奥氏体不锈钢：含铬量大于18%，含镍量8%左右，并含有少量钼、钛、氮等元素，无磁性，综合性能好，在氧化性和还原性介质中耐蚀性较好，可耐多种介质腐蚀。

铁素体不锈钢：含铬量12%～30%，有磁性。其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高。耐氯化物腐蚀性能优于其他种类不锈钢，具有高温抗氧化性能好、热膨胀系数小等特点，但机械性能与工艺性能较差。

马氏体不锈钢：含铬量13%，有磁性，因含碳较高而具有较高的强度、硬度和耐磨性，但塑性和可焊性较差，耐蚀性稍差，通过淬火和回火被硬化，力学性能较好。

双相体不锈钢：含铬量18% ~28%，含镍量3% ~10%，其奥氏体和铁素体组织各约占一半，兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的特点，无室温脆性，具有超塑性，强度和韧性高，耐晶间腐蚀性能和焊接性能好，能抵抗氯化物的侵蚀。

沉淀硬化不锈钢：具有很好的成形性能和良好的焊接性，具有超高强度和硬度，兼有良好的抗腐蚀性能和热处理简单的特点。其基体组织可以是马氏体或者是奥氏体，取决于成分和处理过程。按其组织形态分为马氏体沉淀硬化不锈钢，半奥氏体沉淀硬化不锈钢、奥氏体沉淀硬化不锈钢等三类。

3 不锈钢的切削特点

不锈钢的切削加工性差。以45号钢的切削加工性为100%进行比较，奥氏体不锈钢的切削加工性为30~40%；铁素体不锈钢为45~55%；马氏体不锈钢为60%左右。

3.1车削的特点

不锈钢在切削过程中加工硬化严重，塑性变形大，热强度高，切削力大。而且导热性差，被切屑带走的热量很少，切削热主要集中在刀具刃口附近，造成刀具磨损快。在相同的条件下，不锈钢产生的切削温度比45号钢产生的切削温度高出200℃左右。

不锈钢与其他金属的亲和性强，易使刀尖产生积屑瘤和后刀面产生附着物，导致刀具磨损快。并且因磨刀、换刀频繁，影响生产效率。在切削过程中，被加工表面易形成硬化层，可达切削深度的1/3或更大，硬度提高1.5倍以上，严重影响后续工序。刀具在已形成的加工硬化区域内切削，磨损快。由于不锈钢塑性和韧性都比较大，切屑不易折断，既影响操作顺利进行，对已加工表面损伤也大，不易获得较低的表面粗糙度值。

3.2 铣削的特点

铣削是断续切削，每个刀齿的切削深度时刻变化，容易产生振动和冲击，所以铣削的条件比车削差。

由于不锈钢的粘附性及熔着性强，切屑容易粘附在刀齿上，使切削条件恶化。逆铣时，刀齿先在已经硬化的表面上滑行，增加了加工硬化的趋势；铣削时产生的冲击和振动，使刀齿易崩刃和磨损。所以，应尽可能采用顺铣法，能够保证切削刃平稳切离，切屑粘结接触面积小，在高速离心力的作用

下易被甩掉，避免了刀齿重新切入工件时因切屑冲击前刀面产生剥落和崩刃现象，提高刀具的耐用度。

3.3 磨削的特点

磨削不锈钢时，在高温高压的作用下，磨屑会粘附在砂轮工作表面而堵塞砂轮孔隙，使磨粒失去切削作用。磨削温度可达1000℃～1500℃，工件表面容易产生烧伤、退火等现象，退火层深度有时可达0.01～0.02 mm，并且在磨削热的作用下，工件容易产生变形，造成尺寸和形状上的误差。由于多数类型的不锈钢无磁性，因此在平面磨削时，只能靠机械夹持或用专用夹具夹持工件，容易产生变形，造成形状或尺寸误差，还会因颤振而出现鳞斑状的波纹。在磨削力作用下，因塑性变形、品格错位等原因致使被磨削表层冷硬现象严重。

4 不锈钢切削的技术措施

4.1 金属切削刀具的选择

加工不锈钢的刀具材料应具备足够的强度、硬度、韧性和耐磨性，与不锈钢的粘附性要小。常用的刀具材料有硬质合金和高速钢，形状复杂的刀具主要用高速钢材料制造。由于高速钢刀具的切削速度不能太高，因此对于批量较大的工件，多采用硬质合金刀具进行切削。硬质合金刀具的强度、硬度、耐磨性和导热性都优于高速钢刀具，切削速度也较快。

常用的刀具材料主要有YG类和YT类硬质合金。YG类的韧性和导热性较好，不易与切屑粘结，适用于粗车和断续车削加工；YT类的硬度、耐磨性、耐热性和抗氧化性及韧性都较好，适用于半精加工及精加工。但加工奥氏体不锈钢则不宜选用YT类硬质合金刀具，原因是奥氏体不锈钢中的Ti和刀具中的Ti产生亲合作用，切屑容易把刀具中的Ti带走，造成刀具磨损加快。

铣削不锈钢除端铣刀和部分立铣刀使用硬质合金作铣刀刀齿材料外，其余各类铣刀均采用高速钢材料，特别是钨—钼系和高钒高速钢具有良好的效果，其刀具耐用度也较高。

4.2 刀具几何参数的选择

刀具的几何参数对于刀具的切削力、耐磨性、强度以及工件的表面质量有很大影响。

前角：前角的大小直接影响刀具的强度、耐用性、刀刃的锋利程度。前角大，塑性变形小，切削力和切削热低，加工硬化趋势小，耐用度高。若前角过大，则刀刃强度降低，使其耐用度下降；前角过小，则切削力增大，不容易排屑，容易形成积屑瘤。因此，在保证刀具强度的条件下，前角可适当取大，一般控制在12°～20°之间。

后角：后角大，刀具的楔角小，散热条件差，切削刃口强度降低，刀具磨损快；后角小，与工件表面摩擦严重，刃口钝化快，切削力增大，切削温度增高，刀具磨损快。一般控制在5°～10°之间。

主偏角：较小的主偏角可以增加切削刃的工作长度，有利于散发切削热，使耐用度提高。但是，也会使径向力增大而容易引起振动，而振动又会使加工硬化严重。因此，在保证机床、工件及刀具刚性的情况下，应适当加大刀具的主偏角，一般取45°～90°。

刃倾角：刃倾角能够控制切屑流向。当刃倾角为负值时，刀刃强度高，耐冲击，可避免切削刃崩刃，切屑流向已加工表面；当刃倾角为正值时，刀刃强度低，切屑流向待加工表面。为增强刀刃强度及加大切屑的变形，一般在0°～20°之间选取。

螺旋角：对铣削不锈钢的刀具的切削刃要求既要锋利又要能承受冲击，容屑槽要大。可采用大螺旋角铣刀，螺旋角从20°增加到45°，刀具耐用度可提高2倍以上，铣削轻快。但螺旋角过大会削弱刀齿的强度，造成刀具耐用度下降。因此，立铣刀螺旋角不宜大于35°。

4.3 车、铣削不锈钢时切削用量的选择

切削用量对加工硬化、切削力、切削热、刀具耐用度有很大影响，对生产效率和加工质量也有很大影响。不同种类不锈钢材料的机械性能不同，因此切削用量的选择也不同。在选择切削用量时，要根据刀具材料、刀具几何参数以及被加工零件的硬度、尺寸、加工余量和机床精度等条件来选择。

切削速度：不锈钢材料比普通钢材难加工，切削速度稍微提高一点，切削温度就会提高很多，直接影响到刀具的使用寿命。为保证刀具的耐用度，应根据不同材料选择最合适的切削速度，一般按车削普通碳钢的40%～60%选取。镗孔和切断时，由于切削条件比车外圆差，切削速度还应适当降低。选择合适的切削速度对于刀具的寿命、加工的效率及零件的表面质量有很大影响。

进给量：进给量的大小受机床动力的限制。切屑残留高度和积屑瘤高度都随进给量的增加而加大。