不銹鋼數(shù)銑切削效率提升研究報告

-.z.不銹鋼數(shù)銑切削效率提升研究產(chǎn)業(yè)園制造事業(yè)部羅一桓唐永剛【摘要】本文針對1Cr18Ni9Ti為代表的不銹鋼材質(zhì)的特點，改進了不銹鋼銑削的加工方法，總結(jié)了不銹鋼銑削的加工經(jīng)驗，從而實現(xiàn)的提高效率，降低刀具成本的目標(biāo)。關(guān)鍵詞：1Cr18Ni9Ti切削參數(shù)刀具成本四威產(chǎn)業(yè)園公司在面向市場，走軍民結(jié)合的道路上，從原來的單純有色金屬加工到現(xiàn)在的承接鋼件、不銹鋼件、鈦合金等難加工材料的加工，不斷提高其自身核心競爭力。目前，公司在不銹鋼數(shù)銑加工環(huán)節(jié)存在瓶頸，主要表現(xiàn)在加工效率低，刀具損耗大，拖累了整個生產(chǎn)的進度和成本。提高不銹鋼切削效率，降低刀具成本刻不容緩。為此，我們進行了深入的試驗和研究。一、不銹鋼加工現(xiàn)狀圖1、支撐盤粗加工序毛坯和成品形狀對比以任務(wù)SC-S02-8（100514-14）支撐盤（圖紙?zhí)朆M8.410401.TC6.3.1）粗銑序為例。該零件加工材料為1Cr18Ni9Ti，如圖所示，加工前毛坯料為168×168×35.5mm的立方體，要求粗銑工序加工出主視圖中高為20的臺階，底面和側(cè)壁均留0.5mm余量，除材料約57.8萬立方毫米。目前采用分層挖槽的方式切削，使用φ12硬質(zhì)合金刀，轉(zhuǎn)速S=1800r/min，進給F=200mm/min，切深A(yù)p=1mm，切寬Ae=9~12mm。加工時間約為5小時42分，因為刀具磨損很快，頻繁發(fā)生粘刀、崩刃等情況，平均加工一個零件需要換3～4把刀，每把硬質(zhì)合金刀價格約700元。目前共有42件該任務(wù)，累計刀具成本高達11.76萬，歷時42個工作日，這不論從時間還是成本方面都是難以接受的。圖2、左圖為在原加工方式，因崩刃而停止加工后零件情況，右圖為端銑刀崩刃后的狀態(tài)。二、認識不銹鋼難加工特性要想提高不銹鋼的加工效率，就要先了解不銹鋼。我們通過查找資料，對不銹鋼的加工特性有了進一步的認識。1Cr18Ni9Ti是一種工業(yè)中常用的不銹鋼材料，具有結(jié)構(gòu)強度高，抗腐蝕性好的特點，在航空、航天、船舶、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。不銹鋼的機械性能為：抗拉強度σb(MN/m2)>=550屈服強度σs(MN/m2)>=200伸長率δ5（%）〉=40收縮率ψ（%）〉=55硬度：≤187HB;≤90HRB;≤200HV與45號鋼相比，1Cr18Ni9Ti不銹鋼的相對可切削性約為0.3-.05之間，是一種難切削材料。其難加工性主要表現(xiàn)在：1、高溫強度高。一般鋼材切削時，隨著切削溫度的升高其強度會明顯降低，切屑易被切離，而1Cr18Ni9Ti在700度時仍不能降低其機械性能，故切屑不易被切離，切削過程中切削力大。2、塑性變形大。雖然1Cr18Ni9Ti的抗拉強度和硬度都不高，但綜合性能很好，塑性和韌性高，它的延伸率、斷面收縮率和沖擊值都較高，1Cr18Ni9Ti的延伸率是40%，是45號鋼的250-280%，是20Cr、40Cr鋼的400-500%，所以切屑不易切離、卷曲和折斷，切屑變形所消耗的功能增多。切除一定體積的1Cr18Ni9Ti所消耗的能量比切除相同體積的低碳鋼約高50%，并且大部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，使切削溫度升高。3、易產(chǎn)生硬化層。因為不銹鋼的塑性大，塑性變形時品格歪扭，強化系數(shù)很大；且奧氏體不夠穩(wěn)定，在切削應(yīng)力的作用下，部分奧氏體會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體（奧氏體不銹鋼強度一般為δb=539Mpa，但轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體后，強度提高至δb=1568Mpa），再加上化合物雜質(zhì)（如TiC顆粒）在切削熱的作用下，易于分解呈彌散分布，使切削加工時產(chǎn)生硬化層。加工硬化層的深度可達切削深度的1/3或更大；硬化層的硬度比原來的提高1.4～2.2倍。前一次進給或前一道工序所產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重影響后續(xù)工序的順利進行。4、切削溫度高：切削時塑性變形及與刀具間的摩擦都很大，產(chǎn)生的切削熱多；加上不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)約為45號鋼的12～14％，大量切削熱都集中在切削區(qū)和刀—屑接觸的界面上，散熱條件差，加劇刀具磨損。在相同的條件下，1Cr18Ni9Ti的切削溫度比45號鋼高200℃左右。5、切屑不易折斷、易粘結(jié)。不銹鋼的塑性、韌性都很大，加工時切屑連綿不斷，不僅影響操作的順利進行，切屑還會擠傷已加工表面。在高溫、高壓下，不銹鋼與其他金屬的親和性強，易產(chǎn)生粘附現(xiàn)象，并形成積屑瘤，既加劇刀具磨損，又會出現(xiàn)撕扯現(xiàn)象而使已加工表面惡化。6、線膨脹系數(shù)大。不銹鋼的線膨脹系數(shù)約為碳素鋼的1.5倍，在切削溫度作用下，工件容易產(chǎn)生熱變形，尺寸精度較難控制。7、刀具易磨損。切削不銹鋼過程中的親和作用，使刀—屑間產(chǎn)生粘結(jié)、擴散，從而使刀具產(chǎn)生粘結(jié)磨損、擴散磨損，致使刀具前刀面產(chǎn)生月牙洼，切削刃還會形成微小的剝落和缺口；加上不銹鋼中的碳化物(如TiC)微粒硬度很高，切削時直接與刀具接觸、摩擦，擦傷刀具，還有加工硬化現(xiàn)象，均會使刀具磨損加劇。三、不銹鋼加工方式研究圖3、改進前的粗加工刀路通過調(diào)研我們發(fā)現(xiàn)，目前不銹鋼銑削中，刀具耗費嚴(yán)重，一般1～2小時就要更換一把。通過觀察報廢的刀具查找報廢原因：幾乎所有刀具報廢都是底齒嚴(yán)重磨損造成的，發(fā)生粘刀、崩刃而報廢的刀具，也是因為底齒嚴(yán)重磨損而沒有及時更換刀具造成的，而側(cè)刃沒有太多磨損。我們認為這種情況與我們目前采用的銑削方式大有相關(guān)。我們在數(shù)銑銑削多采用分層挖槽的切削方式。以上述零件粗加工為例，我們使用φ12硬質(zhì)合金刀，分層挖槽銑削，切削參數(shù)采用轉(zhuǎn)速S=1800r/min，進給F=200mm/min，切深A(yù)p=1mm，切寬Ae=9~12mm。加工時間約為5小時42分，刀具磨損嚴(yán)重，平均加工一個零件需要換3～4把刀。而且不可控的頻繁發(fā)生粘刀、崩刃等情況，容易造成零件報廢。分析其原因，在這種切削方式下，側(cè)刃只有最下端1mm參與切削，而底齒75％～100％都時刻參與切削，由于加工深度是20mm，而每層切削深度是1mm，則底齒參與切削的面積是底面積的20倍。這就難怪底齒會很快磨損了。發(fā)現(xiàn)這個矛盾之后，我們考慮改變加工方式，采用大切深，小切寬的加工方式，充分利用側(cè)刃來進行加工。我們就以上述零件粗加工序進行試驗，同樣使用φ12硬質(zhì)合金刀，采用外型銑削的方式，切削參數(shù)調(diào)整為轉(zhuǎn)速S=1000r/min，進給F=200mm/min，切深A(yù)p=10mm，切寬Ae=1.5mm。在這種方式下，底齒僅15％參與了切削，底齒切削面積僅僅是底面積的2倍。側(cè)刃高為10mm的區(qū)域參與了切削，成為切削的主力，側(cè)刃無論在受力還耐磨性方面都優(yōu)于底齒。圖4、改進后的粗加工刀路經(jīng)過試驗，采用這種加工方式，加工時間從原來的5小時42分降低到2小時34分，使用刀具從原來的每件4把降低到每件1把。零件加工結(jié)束后，我們觀察刀具磨損情況發(fā)現(xiàn)，刀具底齒幾乎沒有磨損，側(cè)刃雖然有明顯磨損，但未發(fā)生任何粘刀、崩刃現(xiàn)象，這樣的廢刀完全可以通過刃磨、重新涂層的方式再次利用。同時，完成加工后，零件特征尺寸、表面粗糙度都能達到較好的預(yù)期效果。圖5、改進后的完成加工實物及側(cè)刃略有磨損的刀具四、結(jié)論和經(jīng)驗總結(jié)在通過改變加工方式獲得較好的切削效率之后，我們又對不銹鋼銑削的切削參數(shù)、下刀方式等方面進行和試驗和分析，總結(jié)出經(jīng)驗如下：不銹鋼銑削的切削方式應(yīng)盡量采用側(cè)刃切削，切寬Ae=0.1～0.25D，切深A(yù)p≤D，D為刀具直徑。切深A(yù)p＞D時，容易產(chǎn)生讓刀，粗加工時可考慮使用，但要相應(yīng)降低切寬Ae值。不銹鋼銑削，推薦線速度為W=30～50m/min，轉(zhuǎn)速根據(jù)直徑，由公式S=1000W/πDQUOTE（r/min）計算出。例如：φ12刀，取W=40，根據(jù)公式可計算S=1061，取整得S=1000。不銹鋼銑削，推薦每齒進給量A=0.004D，進給量由公式F=A·n·S（mm/min）計算出。例如：φ12的4齒合金刀，取S=1000，A=0.048，計算出F=192，取整得F=200。不銹鋼切削下刀時盡量在空位置下刀，封閉腔加工宜考慮打預(yù)鉆孔，再從預(yù)鉆孔位置下刀。如果實在無法在空位置下刀（如底