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不锈钢专用铣刀

时间:2021-07-03作者:查看:425次

  通常,人们把含铬量>12%或含镍量>8%的合金钢称为不锈钢。这种钢在大气中或在腐蚀性介质中具有一定的耐腐蚀能力,并在较高温度(>450℃)下具有较高的强度。含铬量达16%~18%的钢,称为耐酸钢或耐酸不锈钢,通称为不锈钢。

  

  含铬量达12%以上的钢在与氧化性介质接触时,由于电化学作用,表面形成一层富铬氧化膜,可保护金属内部不受腐蚀。但在非氧化性腐蚀介质中,不能形成坚固的钝化膜。为提高钢的耐腐蚀能力,通常选择增大铬的比例或添加可促进钝化的合金元素,如添加Ni、Mo、Mn、Cu、Nb、Ti、W和Co等。这些合金元素不仅提高了钢的抗腐蚀能力,同时改变了钢的内部组织和物理力学性能。其在钢中的含量不同,对不锈钢性能产生的影响不同,有的有磁性,有的则无磁性,有的能够进行热处理,有的则不能进行热处理。

  

  不锈钢被越来越广泛地应用于航空、航天、化工、石油、建筑以及食品机械行业中。其所含的合金元素对切削加工性能影响较大,文中主要对不锈钢的切削加工进行了分析。

  

  2.不锈钢的分类及性能

  

  (1)按不锈钢主要成分,分为以铬为主的铬不锈钢和以铬、镍为主的铬镍不锈钢两大类。

  

  (2)按不锈钢金相组织分类:①马氏体不锈钢。其含铬量为12%~18%,含碳量为0.1%~0.5%(有时达1%)。其硬度为170~217HBW,抗拉强度σb为540~1 079MPa,伸长率δ为10%~25%,热导率к为25.12W/(m·K)。常见的牌号有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、1Cr17Ni2、9Cr18、9Cr18MoV和30Cr13Mo等。马氏体不锈钢通过淬火,可获得较高的硬度、强度和耐磨性。然而,当钢中含碳量低于0.3%时,组织不均匀,粘附性强,切削时易产生积屑瘤,且断屑困难,切削加工性较差。当含碳量达0.4%~0.5%时,切削加工性较好。②铁素体不锈钢。其含铬量为12%~13%。硬度为177~228HBW,抗拉强度σb为363~451MPa,伸长率δ为20%~22%,热导率к为16.7W/(m·K)。加热冷却时组织稳定,不发生相变,所以不能进行热处理强化,只能靠变形强化,切削加工性相对较好。常见的牌号有0Cr13、0Cr17Ti、0Cr13Si4NbRe、1Cr17、1Cr17Ti、1Cr17Mo2Ti、1Cr28以及1Cr25Ti等。③奥氏体不锈钢。其含铬量为12%~25%,含镍量为7%~20%(或20%以上)。硬度为187~207HBW,抗拉强度σb为481~520MPa,伸长率δ为40%,热导率к为16.33W/(m·K)。典型牌号有1Cr18Ni9Ti,其他还有00Cr18Ni10、0Cr18Ni12Mo2Ti、0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti、1Cr14Mn14Ni、2Cr13Mn9Ni4以及1Cr18Mn8Ni5N等。由于奥氏体不锈钢含有较多的镍或锰,加热时组织不变,故淬火不能使其强化,可通过冷加工硬化来大幅度提高强度和硬度,其硬化程度为基体硬度的1.4~2.2倍,给下一次切削带来很大困难。其具有优良的力学性能和良好的耐腐蚀能力,无磁性。④奥氏体-铁素体双相不锈钢。与奥氏体不锈钢相似,仅在组织中含有一定量铁素体,常见牌号有0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、1Cr18Mn10Ni5Mo3N、0Cr17Mn13Mo2N、1Cr17Mn9Ni3Mo3Cu2N、Cr26Ni17Mo3CuSiN以及1Cr18Ni11Si4AlTi等。这类不锈钢有硬度极高的金属间化合物析出,强度比奥氏体不锈钢高,切削加工性能比奥氏体不锈钢更差。其硬度<277HBW,抗拉强度σb为589~736MPa,伸长率δ为18%~30%。⑤沉淀硬化不锈钢。这类不锈钢因含有较高的铬、镍和极低的碳,还含有能起沉淀硬化作用的铊、铝、钛和钼等合金元素,其在回火时析出,产生沉淀硬化,具有很高的硬度和强度。其硬度为363~388HBW,抗拉强度σb为1 138~1  324MPa,伸长率δ为5%~10%,这类钢具有良好的耐腐蚀性能。常见牌号有0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al和0Cr15Ni7Mo2Al等。

  

  3.不锈钢的切削特点

  

  不锈钢的切削加工性能比45钢差。若以45钢的相对切削加工性Kr为1,则奥氏体不锈钢的相对切削加工性Kr为0.4,铁素体不锈钢的Kr为0.48,马氏体不锈钢的Kr为0.55。其中以奥氏体和奥氏体-铁素体双相不锈钢的切削加工性差,给切削加工带来很大困难,其特点如下:

  

  (1)切削加工硬化严重。以奥氏体和奥氏体+铁素体不锈钢的加工硬化现象为严重,硬化层的硬度比基体硬度高1.4~2.2倍,其抗拉强度σb为1 470~1 960MPa。这类不锈钢塑性大(δ>35%),塑性变形时晶格扭曲,故强化系数大,且奥氏体不稳定,在切削力作用下,部分奥氏体转变为马氏体。

  

  (2)切削力大。不锈钢的高温强度和硬度高且韧性大,故在切削时所消耗的能量大,即切削抗力大。以奥氏体不锈钢为例,在切削过程中温度高达700℃时,其综合力学性能高于一般结构钢。加之其在切削过程中的塑性变形大、硬化现象严重,增大了切削力,所以不锈钢的单位切削力为45钢单位切削力的1.25倍。

  

  (3)切削温度高。由于不锈钢在切削时的塑性变形大,切屑与刀具间的摩擦大,加之其热导率仅为45钢热导率的1/3~1/4,散热条件差,大量切削热集中在切削区,在相同切削条件下,切削温度比切削45钢时高200℃。

  

  (4)切屑不易折断且易产生积屑瘤。由于不锈钢的韧性和塑性较大,车削加工时,切屑连绵不断,不仅影响切削顺利进行,还会拉伤已加工表面。在高温和高压下,不锈钢与其他金属的亲和性强,易产生粘结现象,并形成积屑瘤。既加剧刀具粘结磨损,又使已加工表面发生恶化。

  

  (5)刀具易磨损。不锈钢中碳化物(TiC)的硬质点,使刀具产生剧烈的磨料磨损。在切削过程中,受高温、高压作用下的亲和作用,使切屑与刀具间产生粘结、扩散和月牙洼磨损及氧化磨损。由于切削加工硬化现象严重,还会在刀具后刀面上产生沟纹和边界磨损。

  

  (6)工件易产生热变形。由于不锈钢的线膨胀系数(15.5~16.6×10-6)是碳钢线膨胀系数(10.98~12.18×10-6)的1.5倍,这样在切削温度作用下,工件易产生热变形,尺寸精度难以保证。

  

  4.不锈钢切削条件的选择

  

  (1)刀具材料。应选用耐热性高、耐磨性好且与不锈钢亲和作用小的刀具材料,主要有以下两类:①高速钢。普通高速钢的刀具寿命低,应选用高性能高速钢。如高碳、钼系、含铝、含钴和高钒高速钢,这些高速钢的常温和高温硬度高于普通高速钢,其刀具寿命是W18Cr4V的4倍以上。如95W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2Al、W2Mo9Cr4VCo8和W12Cr4V4Mo等。②硬质合金。应首先选用添加TaC或NbC的钨钴类超细晶粒硬质合金,如YG813、YS2、YD15、YG640、YG643和YW4等。涂层硬质合金应首选TiAlN和TiAlSi涂层,这两种材料涂层硬度高(3 500~4 000HV),可减小切削过程中的粘结,且刀具寿命高。

  

  (2)切削不锈钢刀具的几何参数。①前角。不锈钢具有硬度、强度较低,但塑性高、韧性大以及热强性高的特点。为减小塑性变形、切削力、切削温度及加工硬化现象,在保证切削刃强度的前提下,应尽量采用较大的刀具前角,以使切削刃锋利。切削各种不锈钢的刀具前角γ0=15°~30°。对于马氏体不锈钢应取大值。对于奥氏体和奥氏体+铁素体不锈钢前角应取小值。高速钢铣刀γ0=10°~20°;硬质合金铣刀γ0=5°~10°;铰刀γ0=8°~12°;丝锥γ0=10°~15°。②后角。为了减小刀具后刀面与工件的摩擦和加工硬化,α0=8°~12°。高速钢端铣刀和立铣刀,α0=12°~15°;硬质合金端铣刀α0=8°~10°,立铣刀α0=10°~15°。③主偏角、副偏角和刀尖圆弧半径。减小主、副偏角可以增大刀尖强度,有利于散热,但会使切削过程的径向力增大,容易引起振动。一般κr=45°~75°,κr′=8°~15°。刀尖圆弧半径rε=0.4~1.2mm。④刃倾角。在粗加工时,为了增大刀尖强度,刀具刃倾角λs=-3°~-8°。精加工时,λs=0°~3°。⑤车削不锈钢车刀的断屑槽型。由于不锈钢的可塑性高、韧性大,应合理选择车刀的断屑槽型,以防止切屑连绵不断。通常采用全圆弧形或直线圆弧形的断屑槽。断屑槽的宽度Bn=3~5mm,断屑槽底的圆弧半径Rn=2~6mm,槽深CBn=0.5~1.3mm,如图1所示。粗车时ap和f较大,断屑槽应宽而浅;精车时ap和f较小,断屑槽应窄而深。

  

  图片

  

  (3)切削不锈钢的切削用量。切削用量对加工不锈钢时的加工硬化、切削力、切削热和刀具寿命产生直接影响,同时也会影响切削效果。①切削速度。切削加工不锈钢的切削速度为切削一般钢材的切削速度的40%~60%。如高速钢刀具的切削速度vc为12~18m/min;硬质合金刀具的切削速度vc为40~60m/min。不锈钢热导率较低,切削区温度升高会造成刀具瞬间磨损,因此vc选择不可过高。②切削深度。由于不锈钢在切削加工时硬化现象严重,为避免在硬化层上切削和造成刀具快速磨损,切削深度应大于硬化层厚度。粗加工时,ap=2~5mm;精加工时,ap=0.2~0.5mm。车螺纹与车削普通钢材不同,不吃刀光一刀的方式不但车不下切屑,反而会造成刀具在硬化表面上产生摩擦,拉毛牙形表面,增大其表面粗糙度值。③进给量。为避免刀刃在切削表面硬化层上切削和加剧刀具磨损,进给量f和每齿进给量fz需大于硬化层厚度,不得小于0.1mm/r(z),一般为f/(fz)=0.15~0.4mm/r(z)(fz为每齿进给量)。

  

  (4)切削不锈钢的切削液。由于不锈钢的切削加工性较差,在切削过程中存在切削温度高、刀具粘结、氧化和扩散磨损严重等问题。所以对切削液的冷却、润滑以及渗透等性能有更高的要求。在切削时,应选用含S、P及Cl极压添加剂的极压乳化液或极压切削油。①硫化油。是以硫为极压添加剂的切削油。其在切削过程中能在刀具表面形成一层高熔点的硫化物润滑膜,在高温(600°~1 000°)、高压(1 470~1 960MPa)下不被破坏,具有良好的润滑作用,并具有一定冷却效果,适用于车削、铣削、钻孔、铰孔和攻螺纹。直接硫化油的配方:矿物油98%以及硫2%;间接硫化油的配方:矿物油70%~80%、植物油或猪油18%~20%以及硫1.7%。②混合油。在硫化油中添加10%~20%的CCl4,或在猪油中添加20%~30%的CCl4,对降低不锈钢铰孔后的表面粗糙度值有显着效果。也可用含硫化油85%~90%、煤油10%~15%的混合油进行铰孔。③植物油。如菜籽油、豆油等,其润滑性能好,适用于车螺纹、铰孔和攻螺纹。④乳化液。含S、P及Cl的极压乳化液,具有良好的冷却、润滑和清洗作用,适用于不锈钢的粗加工和钻孔。⑤专用润滑剂。不锈钢上攻丝可采用MoS2油膏,或用石墨粉加植物油调成糊状,或用猪油与植物油混合进行攻螺纹,效果较好。

  

  (5)切削不锈钢时应注意的问题。①铣削不锈钢时,由于硬化现象严重,应尽量采用顺铣法,以免在切入时在硬化层滑移后再切入,加剧刀具磨损。在端铣时,采用不对称顺铣法,以保证刀具切削刃平稳地从工件中切离,切屑粘结接触面积较小,并在高速离心力作用下把切屑甩掉,以避免刀齿在重新切入时,冲击工件而损坏刀具。②切削不锈钢时,刀具不要在切削表面停留,入刀退刀要迅速果断,以免加剧切削表面硬化,给下一次入刀切削带来困难。③根据不锈钢的性能和切削特点,在钻孔时,应尽量选用超硬高速钢(M2Al、M42)钻头,采用低速、大进给。普通钻型需修磨小钻头的横刃b(b≈0.04d0,d0为钻头直径),以减小钻削时的轴向力。大直径(d0≥13mm)的钻头,应尽量磨成如图2所示的不锈钢群钻。其中,L≈0.32d0,L1>L/3,R≈0.2d0,h≈0.04d0,b≈0.04d0。这种钻型排、断屑好,尽量采用机动进给。④由于不锈钢的可塑性高,切削加工时硬化现象严重,为减小切削时的摩擦、挤压和硬化现象,须使刀具保持锋利。为此,刀具的磨损限度,应是切削一般钢材磨损限度(精加工为0.1~0.3mm,粗加工为0.4~1.5mm)的一半。


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