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高强度钢和超高强度钢的切削加工

作者 :徐少红更新时间:2012-11-12

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 (广东工贸职业技术学院 , 广东 广州 510510)
摘要:阐述了高强度钢和超高强度钢的切削加工特点,常用刀具材料及其合理选择,以及刀具几何参数及切削用量的合理选择。同时阐述了高强度钢和超高强度钢铰削、钻削、铣削加工时刀具材料、刀具几何参数及切削用量的合理选择。
关键词:高强度钢;超高强度钢;切削加工

中图分类号: 文献标识码:A 文章编号:1672—545X(2007)02— —

1 高强度钢和超高强度钢的切削加工特点
高强度钢和超高强度钢切削加工难度大,主要表现在切削力大、切削温度高、刀具磨损快、刀具耐用度低、生产率低和断屑困难。由于它们的硬度高、强度高、塑性相对较低,故与塑性高、强度低的工件材料相比,已加工表面质量一般不成问题。
1.1切削力大
传统的切削力理论公式为
Fz =σsapf(1.4ξ+c) (10.2)式中:ξ为切削工程中的变形系数;c为与刀具前角有关的常数。
由于高强度钢、超高强度钢的强度高,即σs大,故主切削力Fz加大。但是,这些钢材的塑性较低,故ξ减小,因而Fz不与σs成比例地增大。根据大量车削实验,车削低合金高强度钢(调质)时,其主切削力比车削45钢(正火)提高约25%~40%;车削低合金超高强度钢(调质)时,其主切削力比车削45钢(正火)提高约30%~50%。车削中合金、高合金高强度钢时的主切削力则将提高50%~80%。
1.2切削温度高
高强度钢、超高强度钢的切削力、切削功率大,消耗能量及形成的切削热较多;同时,这种钢材的导热性较差,切削时切屑集中于刃口很小的接触面内,因此刀具切削区温度较高。
1.3刀具易磨损和刀具耐用度低
高强度钢和超高强度钢,调质后的硬度一般在HRC50以下,但抗拉强度高,韧性也好。在切削过程中,刀具与切屑的接触长度小,切削区的应力和热量集中,易造成前刀面月牙洼磨损,增加后刀面磨损,导致刃口崩缺或烧伤。刀具耐用度低。
1.4断屑性能
切削过程中,切削应得到很好地控制,不能任其缠绕在工件或刀具上,划伤已加工表面、损坏刀具,甚至伤人。控制切削最常用的方法之一就是在刀具前刀面上预制成断屑槽,加大切削变形,促使切屑折断。断屑条件为:切屑变形后的应变量大于或等于该材料的断裂应变。
2 高强度和超高强度钢的切削加工
2.1刀具材料、刀具几何参数、切削用量
高强度钢、超高强度钢要进行高效和保证质量的切削加工,应采用先进、适用的刀具材料,应选用合理的刀具几何参数和合理选择切削用量等。
2.1.1采用先进、适用的刀具材料
采用切削性能先进的刀具材料,是提高高强度钢、超高强度钢切削加工效率和保证质量的最重要、最基本和最有效的措施。针对它们强度、硬度高的特点,刀具材料应具有更高的硬度和更好的耐磨性,并应根据粗、精加工等条件具有较好的韧性和强度。高强度钢、超高强度钢是铁基金属,不能用金刚石刀具进行切削。除金刚石外,其他各类先进刀具材料都能在加工高强度钢、超高强度钢中发挥作用。
①高性能高速钢 常用的W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等普通高速钢切削高强度钢时,耐磨性不足,切削效率很低,切削超高强度钢时就更是如此了。使用高性能高速钢可以取得良好的效果,能提高切削速度和刀具耐用度。各类高性能高速钢如501,Co5Si,M42等,都可以发挥良好作用。
②粉末冶金高速钢 粉末冶金高速钢,是由高速钢粉末在高温高压下直接压制,再锻造成所需要的刀具形状,加工淬火后刃磨而成。它具有硬度高、高温硬度好、耐磨性好的特点,适用于高强度和超高强度钢的切削,是拉削膛线最好的刀具材料。
③涂层高速钢 高速钢刀具涂覆TiN等耐磨化合物后,在切削高强度钢、超高强度钢时可延长刀具耐用度2~3倍。常用的高速涂层刀具有麻花钻、立铣刀、丝锥、齿轮滚刀、插齿刀。
④硬质合金 在切削高强度钢、超高强度钢中,硬质合金是最主要的刀具材料。硬质合金硬度高,耐磨性强,所以其刀具耐用度和加工效率远远高于高速钢刀具。切削高强度钢、超高强度钢时,应尽可能采用新型硬质合金刀具材料。硬质合金主要用于车刀和端铣刀,也可以用于螺旋齿立铣刀、三面刃或两面刃盘铣刀、铰刀、锪钻、浅孔刀、深孔钻及小直径的整体麻花钻等。由于硬质合金中添加钽、铌或稀土元素P类合金、TiC基和Ti(C、N)基合金及P类涂层合金的切削效果将优于普通硬质合金。在使用P类合金加工高强度钢、超高强度钢时,可根据粗、精加工及加工条件的差异,选定硬质合金的级别和牌号。而TiC基和Ti(C、N)基合金主要用于精加工和半精加工。涂层合金则可用于精加工和半精加工及负荷较轻的粗加工。
⑤陶瓷刀具材料 陶瓷刀具的硬度和耐热性高于硬质合金,允许的切削速度比硬质合金高1~2倍。在高强度钢、超高强度钢的切削中,主要用于车削和平面铣削的精加工和半精加工,但不能应用于粗加工或有冲击载荷的断续切削中。必须采用Al2O3基陶瓷,而不能使用Si3N4基陶瓷。Al2O3基复合陶瓷的刀具耐用度和加工效率高于硬质合金刀具。
⑥超硬刀具材料 立方氮化硼(CBN)刀具适用于高强度、超高强度钢的车削和铣削,主要用于半精加工和精加工。采用CBN刀具进行精加工,切削效果显著优于硬质合金与陶瓷刀具。一般,仅能用于车刀、镗刀及面铣刀。
2.1.2选用合理的刀具几何参数
在刀具材料被选定以后,必须确定合理的刀具几何参数。加工高强度、超高强度钢时,刀具几何参数的选择原则与加工一般钢料时基本相同。由于被加工钢料的强度、硬度高,故必须加强刀具的切削刃和刀尖部分,以保证刀具保持一定的耐用度。
经验表明,在车削高强度钢时,硬质合金刀具前角可选为4。~6。;车削超高强度钢时,可选为-4。~-2。。高速钢刀具的前角可选为8。~12。。
一般在切削刃附近,需鐾出负倒棱,倒棱前角-5。~15。,倒棱宽度(0.5~1)f。当倒棱宽度不超出进给量f的大小时,既可明显地加强切削刃,又不致过份加大切削力。
刀尖圆弧半径应比加工一般钢材时略微加大,以加强刀尖。精加工时,可取0.5~0.8mm;粗加工时,可取1~2mm。
其他刀具集合参数,如后角、主偏角、副偏角、刃倾角,其选择原则和具体数值均与加工一般钢材时相同。
2.1.3选用合理的切削用量
在加工高强度钢、超强度钢时,切削深度、进给量和切削速度的制定原则与加工一般钢材时基本相同。只有切削速度降低,方能保证必要的刀具耐用度。以加工45(正火)钢的切削速度为基准,若保持刀具耐用度不变,则加工高强度钢时,切削速度应降低约50%。加工超高强度钢时,应降低约70%。
2.2高强度和超高强度钢铰削加工
2.2.1刀具材料的选择
对高强度钢和超高强度钢铰孔时,可选用高性能高速钢和硬质合金作为刀具材料。高性能高速钢中的高钒、高钴、含钴或含铝的超硬高速钢,非常适于加工这种钢材。用于高强度钢的硬质合金铰刀,使用时要充分加乳化液。
2.2.2切削用量的选择
高强度和超高强度钢一般铰孔时,切削余量不宜过大,否则会影响加工效率和刀具耐用度。当孔径小于等于15mm时,余量约为0.1~0.15mm;孔径大于15mm时,余量为0.2~0.3mm。在选择切削速度时,要充分考虑工件材料的强度和硬度。硬质合金铰刀的切削用量见表一。

表一:硬质合金铰刀的切削用量
工件材料强度σb/MPa 切削速度vc/(m•min-1) 孔径/mm 转速n/(r•min-1)
1 130 60 10~15 600~1 180
1 250 55
1 324 50 20~30 375~750
1 425 40
1 520 30 30~80 375~600
1 668 20

2.3 高强度和超高强度钢钻削加工
2.3.1 钻头的选择
钻削高强度钢时,可选用高性能高速钢麻花钻或硬质合金钻头。钻削超高强度钢时,一般采用硬质合金钻头。高速钢麻花钻,可选用群钻或修磨成三尖刃形的钻头。为了提高钻头的刚度,应适当增加钻心厚度,减小悬伸量,螺旋角也应小一些,一般为17。~30。。选用硬质合金钻头时,可加大顶角,以改善排屑。
2.3.2 切削用量的选择
钻削高强度和超高强度钢时,比钻削一般钢材的切削速度低50左右。选用高速钢钻头钻孔时,一般取vc=10~15m/min,当工件材料的硬度HRC大于45时,切削速度更低。进给量为f=0.03~0.3mm/r(钻头直径小时取小值)。采用硬质合金钻头时,可选较高的切削速度,但不能太高,必须考虑工件材料的硬度对钻头耐用度的影响。当工件材料的硬度HRC大于50时,钻头的速度应小于30m/min,进给量f=0.03~0.3mm/r。
2.4 高强度和超高强度钢铣削加工
2.4.1刀具及其参数的选择
铣削时应选强度高、耐冲击和耐热性好的刀具材料,如高性能高速钢和硬质合金,也可以选择热压陶瓷刀具。选择刀具几何参数时,要充分考虑这种钢的切削特点,应减小主偏角,增大刀尖圆弧半径,切深前角和进给前角应小于零(高速钢铣刀除外)。硬质合金和陶瓷刀具的刃口应倒棱,以增加刃口强度。
2.4.2切削用量的选择
高强度钢和超高强度钢的品种很多,其强度和硬度也有很大的差异。铣削时应根据不同加工对象和加工条件,合理选择切削用量。在选择切削速度时,在工件材料的强度和硬度较高的情况下,应适当降低切削速度,减小刀具每齿进给量,按工件材料的强度选择铣削速度,按工件材料的硬度选择铣削用量。



参考文献:
[1]赵程,杨建民.机械工程材料[M].北京:机械工业出版社,2003.
[2]肖继明,李言. D406A超高强度的钻削性能研究[J].宇航材料工艺,2006(1).
[3]王瑞珍.汽车用高强度钢板最新研究进展[J].中国冶金,2006(9).


收稿日期:2006—12—02
作者简介:徐少红(1965—),女,江苏扬州人,广东工贸职业技术学院,高级讲师,在职硕士,现从事机械类的教学、技术工作。



Cutting Process of High Strength Steel and Super-high Strength Steel
Xu Shaohong
(Guangdong Vocational College of Industry & Commerce,
Guangzhou Guangdong 510510)

Abstract: Degree of difficulty in the cutting …… 职称论文发表网http://www.issncn.com 职称论文发表网http://www.issncn.com

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