不锈钢数铣切削效率提升研究报告

-.z.不锈钢数铣切削效率提升研究产业园制造事业部罗一桓唐永刚【摘要】本文针对1Cr18Ni9Ti为代表的不锈钢材质的特点，改进了不锈钢铣削的加工方法，总结了不锈钢铣削的加工经验，从而实现的提高效率，降低刀具成本的目标。关键词：1Cr18Ni9Ti切削参数刀具成本四威产业园公司在面向市场，走军民结合的道路上，从原来的单纯有色金属加工到现在的承接钢件、不锈钢件、钛合金等难加工材料的加工，不断提高其自身核心竞争力。目前，公司在不锈钢数铣加工环节存在瓶颈，主要表现在加工效率低，刀具损耗大，拖累了整个生产的进度和成本。提高不锈钢切削效率，降低刀具成本刻不容缓。为此，我们进行了深入的试验和研究。一、不锈钢加工现状图1、支撑盘粗加工序毛坯和成品形状对比以任务SC-S02-8（100514-14）支撑盘（图纸号BM8.410401.TC6.3.1）粗铣序为例。该零件加工材料为1Cr18Ni9Ti，如图所示，加工前毛坯料为168×168×35.5mm的立方体，要求粗铣工序加工出主视图中高为20的台阶，底面和侧壁均留0.5mm余量，除材料约57.8万立方毫米。目前采用分层挖槽的方式切削，使用φ12硬质合金刀，转速S=1800r/min，进给F=200mm/min，切深Ap=1mm，切宽Ae=9~12mm。加工时间约为5小时42分，因为刀具磨损很快，频繁发生粘刀、崩刃等情况，平均加工一个零件需要换3～4把刀，每把硬质合金刀价格约700元。目前共有42件该任务，累计刀具成本高达11.76万，历时42个工作日，这不论从时间还是成本方面都是难以接受的。图2、左图为在原加工方式，因崩刃而停止加工后零件情况，右图为端铣刀崩刃后的状态。二、认识不锈钢难加工特性要想提高不锈钢的加工效率，就要先了解不锈钢。我们通过查找资料，对不锈钢的加工特性有了进一步的认识。1Cr18Ni9Ti是一种工业中常用的不锈钢材料，具有结构强度高，抗腐蚀性好的特点，在航空、航天、船舶、医疗、汽车等领域应用广泛。不锈钢的机械性能为：抗拉强度σb(MN/m2)>=550屈服强度σs(MN/m2)>=200伸长率δ5（%）〉=40收缩率ψ（%）〉=55硬度：≤187HB;≤90HRB;≤200HV与45号钢相比，1Cr18Ni9Ti不锈钢的相对可切削性约为0.3-.05之间，是一种难切削材料。其难加工性主要表现在：1、高温强度高。一般钢材切削时，随着切削温度的升高其强度会明显降低，切屑易被切离，而1Cr18Ni9Ti在700度时仍不能降低其机械性能，故切屑不易被切离，切削过程中切削力大。2、塑性变形大。虽然1Cr18Ni9Ti的抗拉强度和硬度都不高，但综合性能很好，塑性和韧性高，它的延伸率、断面收缩率和冲击值都较高，1Cr18Ni9Ti的延伸率是40%，是45号钢的250-280%，是20Cr、40Cr钢的400-500%，所以切屑不易切离、卷曲和折断，切屑变形所消耗的功能增多。切除一定体积的1Cr18Ni9Ti所消耗的能量比切除相同体积的低碳钢约高50%，并且大部分能量转化为热能，使切削温度升高。3、易产生硬化层。因为不锈钢的塑性大，塑性变形时品格歪扭，强化系数很大；且奥氏体不够稳定，在切削应力的作用下，部分奥氏体会转变为马氏体（奥氏体不锈钢强度一般为δb=539Mpa，但转变为马氏体后，强度提高至δb=1568Mpa），再加上化合物杂质（如TiC颗粒）在切削热的作用下，易于分解呈弥散分布，使切削加工时产生硬化层。加工硬化层的深度可达切削深度的1/3或更大；硬化层的硬度比原来的提高1.4～2.2倍。前一次进给或前一道工序所产生的加工硬化现象严重影响后续工序的顺利进行。4、切削温度高：切削时塑性变形及与刀具间的摩擦都很大，产生的切削热多；加上不锈钢的导热系数约为45号钢的12～14％，大量切削热都集中在切削区和刀—屑接触的界面上，散热条件差，加剧刀具磨损。在相同的条件下，1Cr18Ni9Ti的切削温度比45号钢高200℃左右。5、切屑不易折断、易粘结。不锈钢的塑性、韧性都很大，加工时切屑连绵不断，不仅影响操作的顺利进行，切屑还会挤伤已加工表面。在高温、高压下，不锈钢与其他金属的亲和性强，易产生粘附现象，并形成积屑瘤，既加剧刀具磨损，又会出现撕扯现象而使已加工表面恶化。6、线膨胀系数大。不锈钢的线膨胀系数约为碳素钢的1.5倍，在切削温度作用下，工件容易产生热变形，尺寸精度较难控制。7、刀具易磨损。切削不锈钢过程中的亲和作用，使刀—屑间产生粘结、扩散，从而使刀具产生粘结磨损、扩散磨损，致使刀具前刀面产生月牙洼，切削刃还会形成微小的剥落和缺口；加上不锈钢中的碳化物(如TiC)微粒硬度很高，切削时直接与刀具接触、摩擦，擦伤刀具，还有加工硬化现象，均会使刀具磨损加剧。三、不锈钢加工方式研究图3、改进前的粗加工刀路通过调研我们发现，目前不锈钢铣削中，刀具耗费严重，一般1～2小时就要更换一把。通过观察报废的刀具查找报废原因：几乎所有刀具报废都是底齿严重磨损造成的，发生粘刀、崩刃而报废的刀具，也是因为底齿严重磨损而没有及时更换刀具造成的，而侧刃没有太多磨损。我们认为这种情况与我们目前采用的铣削方式大有相关。我们在数铣铣削多采用分层挖槽的切削方式。以上述零件粗加工为例，我们使用φ12硬质合金刀，分层挖槽铣削，切削参数采用转速S=1800r/min，进给F=200mm/min，切深Ap=1mm，切宽Ae=9~12mm。加工时间约为5小时42分，刀具磨损严重，平均加工一个零件需要换3～4把刀。而且不可控的频繁发生粘刀、崩刃等情况，容易造成零件报废。分析其原因，在这种切削方式下，侧刃只有最下端1mm参与切削，而底齿75％～100％都时刻参与切削，由于加工深度是20mm，而每层切削深度是1mm，则底齿参与切削的面积是底面积的20倍。这就难怪底齿会很快磨损了。发现这个矛盾之后，我们考虑改变加工方式，采用大切深，小切宽的加工方式，充分利用侧刃来进行加工。我们就以上述零件粗加工序进行试验，同样使用φ12硬质合金刀，采用外型铣削的方式，切削参数调整为转速S=1000r/min，进给F=200mm/min，切深Ap=10mm，切宽Ae=1.5mm。在这种方式下，底齿仅15％参与了切削，底齿切削面积仅仅是底面积的2倍。侧刃高为10mm的区域参与了切削，成为切削的主力，侧刃无论在受力还耐磨性方面都优于底齿。图4、改进后的粗加工刀路经过试验，采用这种加工方式，加工时间从原来的5小时42分降低到2小时34分，使用刀具从原来的每件4把降低到每件1把。零件加工结束后，我们观察刀具磨损情况发现，刀具底齿几乎没有磨损，侧刃虽然有明显磨损，但未发生任何粘刀、崩刃现象，这样的废刀完全可以通过刃磨、重新涂层的方式再次利用。同时，完成加工后，零件特征尺寸、表面粗糙度都能达到较好的预期效果。图5、改进后的完成加工实物及侧刃略有磨损的刀具四、结论和经验总结在通过改变加工方式获得较好的切削效率之后，我们又对不锈钢铣削的切削参数、下刀方式等方面进行和试验和分析，总结出经验如下：不锈钢铣削的切削方式应尽量采用侧刃切削，切宽Ae=0.1～0.25D，切深Ap≤D，D为刀具直径。切深Ap＞D时，容易产生让刀，粗加工时可考虑使用，但要相应降低切宽Ae值。不锈钢铣削，推荐线速度为W=30～50m/min，转速根据直径，由公式S=1000W/πDQUOTE（r/min）计算出。例如：φ12刀，取W=40，根据公式可计算S=1061，取整得S=1000。不锈钢铣削，推荐每齿进给量A=0.004D，进给量由公式F=A·n·S（mm/min）计算出。例如：φ12的4齿合金刀，取S=1000，A=0.048，计算出F=192，取整得F=200。不锈钢切削下刀时尽量在空位置下刀，封闭腔加工宜考虑打预钻孔，再从预钻孔位置下刀。如果实在无法在空位置下刀（如底