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1、.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
2、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-S02-8100514-14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，如下图，加工前毛坯料为16816835.5mm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12硬质合金刀，转速S=1800r/min，进给F=200mm/min，切深Ap=1mm，切宽Ae=912mm。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34把刀，每把硬质合
3、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：n 抗拉强度b(MN/m2) =550 n 屈服强度s(MN/m2) =200 n 伸长率5%=40 n 收缩率%=
4、55 n 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
5、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b=539Mpa，但转变为马氏体后，强度提高至b=1568 Mpa，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1.42.2倍。前一次进给或前一道工序所产生的加工
6、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1214，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
7、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12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
8、，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12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=912mm。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34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75100都时刻参与切削，由于加工深度是20mm，而每层切削深度是1mm，那么底齿参与切削的面积是底面积的20倍。这就难怪底齿
9、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12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
10、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：1、 不锈钢铣削的切削方式应尽量采用侧刃切削，切宽Ae=0.10.25D，切深ApD，D为刀具直径。切深ApD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。2、 不锈钢铣削，推
11、荐线速度为W=3050m/min，转速根据直径，由公式S=1000W/Dr/min计算出。例如：12刀，取W=40，根据公式可计算S=1061，取整得S=1000。3、 不锈钢铣削，推荐每齿进给量A=0.004D，进给量由公式F=AnSmm/min计算出。例如：12的4齿合金刀，取S=1000，A=0.048，计算出F=192，取整得F=200。4、 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面不通的封闭腔型腔，应采用螺旋下刀方式，进刀角度11.5度。5、 不锈钢粗加工宜选用3齿铣刀，因为2齿铣刀振动较大，而4齿铣刀排削不畅。6、 不锈钢采用侧刃切削时，侧向加工应力较原来的方式要大一些，应采用更大的加紧力。7、 不锈钢粗加工时可考虑使用逆铣加工，刀具受力情况更好，不过侧壁光洁度会降低。不锈钢切削发热量大，应适当提高切削液浓度，并注意把喷头对准刀具。8、-
