雙相不銹鋼切削加工工藝探索

王培源，張 貴

（經(jīng)緯紡織機(jī)械股份有限公司 榆次分公司，山西 晉中 030601）

PH13－8Mo鋼是一種采用雙真空冶煉的高強(qiáng)度馬氏體沉淀硬化不銹鋼，其材料為0Cr13Ni8Mo2Al，此鋼的突出特點(diǎn)是強(qiáng)度高，斷裂韌性優(yōu)良，具有良好的橫向力學(xué)性能和在復(fù)雜環(huán)境中耐應(yīng)力腐蝕性能。實(shí)際生產(chǎn)中為了得到更高的抗腐蝕性能和較好的耐高溫性能，常將PH13－8Mo不銹鋼與其它不銹鋼一同制成雙相不銹鋼。由于這種雙相不銹鋼綜合性能良好，已被廣泛應(yīng)用于機(jī)加工緊固件、飛機(jī)部件、核能部件以及石油、化工裝備等各種領(lǐng)域。紡機(jī)產(chǎn)品中的部分關(guān)鍵件也采用此類材料，筆者旨在對雙相不銹鋼在紡機(jī)類產(chǎn)品機(jī)加工工藝中遇到的問題進(jìn)行研究，對出現(xiàn)問題的解決方法進(jìn)行探討。

1 雙相不銹鋼的加工難點(diǎn)

PH13－8Mo雙相不銹鋼材料橫向力學(xué)性能及抗斷裂韌性好，導(dǎo)致在材料粗加工去除余量時(shí)粘性大，極容易與刀片刀尖產(chǎn)生積屑；由于其導(dǎo)熱性能差而隔熱性能良好，在航空石油等領(lǐng)域被廣泛使用，然而在機(jī)加工過程中因?qū)嵝圆睢⒓庸釤o法被鐵屑帶走而且過多的集中在刀刃上，使刀片磨損過快。

我們采用進(jìn)口刀具按照常規(guī)銑削方法加工700mm×160mm×60mm毛坯件時(shí)，粗加工余量約為11 000cm3，加工時(shí)間約為4h，耗費(fèi)刀片約為40片（每個(gè)刀片4個(gè)刀刃）；當(dāng)改為電火花切割時(shí)，則因加工時(shí)間長、成本高而難以承受，只能采用機(jī)加工方法。

2 刀具磨損形式分析

加工PH13－8Mo雙相不銹鋼時(shí)，常見的刀具失效形式有刀面積屑瘤、崩刃和熱裂紋3種。在保證刀具一定壽命的情況下，熱裂紋失效形式為最佳情況，而積屑瘤和崩刃均屬于不正常失效形式。

在加工過程中，由于刀具切削不輕快則導(dǎo)致摩擦升溫，使工件材料的微粒黏附在刀片上形成積屑瘤，如圖1所示。當(dāng)積屑瘤脫落時(shí)，同時(shí)會(huì)造成刀刃局部破損形成崩刃，如圖2所示。

圖1 刀具積屑瘤

圖2 刀具崩刃

由于加工區(qū)域溫度變化大，尤其是在斷續(xù)切削時(shí)，會(huì)在刀刃上出現(xiàn)象梳子一樣的裂紋，熱裂紋形態(tài)如圖3所示。

圖3 刀具熱裂紋

3 機(jī)加工理論分析

3.1 材料導(dǎo)熱性

從理論上分析，切削時(shí)鐵屑帶走熱量最多的是fz的上、下兩個(gè)面，當(dāng)材料導(dǎo)熱性能好時(shí)，熱量瞬間可以從fz表面向內(nèi)部傳導(dǎo)，從而帶走大部分機(jī)加工熱量；當(dāng)材料的導(dǎo)熱性能差時(shí)，由于熱量只保存在fz的兩個(gè)面，所以鐵屑帶走的熱量相同，而鐵屑的體積卻不同，在帶走相同熱量的情況下，5號鐵屑體積最小，如圖4所示。同理，反之在相同鐵屑體積的情況下，5號鐵屑帶走的熱量最多。

圖4 鐵屑體積與熱量關(guān)系

3.2 刀具選用

對圖4分析可知，因主偏角最小的銑刀所產(chǎn)生的薄形鐵屑帶走的熱量最多，所以我們選用主偏角為0°～20°的瓦爾特快進(jìn)給銑刀，如圖5所示。

圖5 不同主偏角銑刀示意

3.3 刀片表面處理

化學(xué)氣相沉積（簡稱CVD），是反應(yīng)物質(zhì)在氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進(jìn)而制得固體材料的工藝技術(shù)。CVD系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)有還原、氧化、水解、熱解等，是在低壓CVD反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)的，是一種不均勻的多相反應(yīng)。

物理氣相沉積（簡稱PVD），是利用物理過程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，將原子或分子由源轉(zhuǎn)移到基材表面上的過程，一般有真空中蒸發(fā)沉積、濺射、離子鍍3種將固態(tài)鍍層材料氣化的方法。由于PVD工藝溫度低，不會(huì)降低硬質(zhì)合金刀片自身的強(qiáng)度，刀片刃部可磨得十分鋒利，從而降低機(jī)床的功率消耗。

因此加工PH13－8Mo雙相不銹鋼時(shí)要采用較為鋒利的刀片，所以我們選擇TiAlN和Al2O3組成的PVD多層涂層WSM35和WSP45材質(zhì)的刀片。

4 機(jī)加工現(xiàn)場情況分析

4.1 影響刀具壽命的主要因素

4.1.1 工件線速度

線速度對刀片壽命的影響最大。如線速度高于規(guī)定20%，刀具壽命將降低為原來的1／2；如線速度高于50%，刀具壽命將降低為原來的1／5。工件線速度在粗加工和精加工時(shí)的參數(shù)應(yīng)不同，因?yàn)榇旨庸ひ匀ビ嗔繛橹?，故線速度要低；精加工以保證尺寸精度和表面粗糙度為主，其線速度應(yīng)高。

4.1.2 切 深

切深對刀具壽命的影響僅次于線速度，每種槽型都有一個(gè)比較大的切削范圍。粗加工時(shí)，切深盡量加大，以保證最大的余量去除率；精加工時(shí)，切深盡量減小，以保證工件的尺寸精度和表面質(zhì)量。通常切深不能大于槽型的切削范圍，切深過大則刀具無法承受切削力，會(huì)導(dǎo)致刀具崩刃；切深過小時(shí)刀具只是刮削和擠壓工件表面，會(huì)導(dǎo)致后刀面嚴(yán)重磨損，從而降低刀具壽命。

4.1.3 進(jìn) 給

相比較線速度和切深，進(jìn)給對刀具壽命的影響最小，但對工件的表面質(zhì)量影響最大。粗加工時(shí)，加大進(jìn)給可以提高余量的去除率；精加工時(shí)，降低進(jìn)給可以提高工件的表面粗糙度；在保證表面粗糙度要求的情況下，可以盡量加大進(jìn)給，提高加工效率。

4.2 不同刀具試驗(yàn)對比分析

在現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，美國、瑞典、以色列和國內(nèi)多家刀具供應(yīng)商，采用玉米銑、90°銑刀、快進(jìn)給銑刀等多種銑刀進(jìn)行試驗(yàn)，加工效果均不理想。我們采用德國制造的瓦爾特90°銑刀和快進(jìn)給銑刀進(jìn)行試驗(yàn)，達(dá)到了滿意的效果。試驗(yàn)加工參數(shù)及結(jié)果分別見表1、表2。

表1 加工參數(shù)推薦

表2 加工結(jié)果對比

由表2數(shù)據(jù)可得出兩個(gè)結(jié)論：一是PH13－8Mo雙相不銹鋼使用快進(jìn)給銑刀是最佳的選擇；二是采用德國進(jìn)口刀片加工效果更勝一籌。通過此次試驗(yàn)，我們采用2片德國瓦爾特刀片就能完成以前需消耗40片進(jìn)口刀片才能完成的加工量，大大提高了工作效率，降低了生產(chǎn)成本。

5 結(jié)論

5.1 加工強(qiáng)度高、隔熱性能好的雙相不銹鋼零件時(shí)，由于材料導(dǎo)熱性能差，以鐵屑盡量小、薄為佳，使同等體積鐵屑接觸空氣面最大以帶走更多的熱量，從而減少殘留在刀刃上的熱量，提高了刀片使用壽命，為此應(yīng)選用正前角的快進(jìn)給銑刀。

5.2 由于PH13－8Mo雙相不銹鋼優(yōu)良的斷裂韌性及良好的橫向力學(xué)性能，在機(jī)加工中黏性較強(qiáng)，所以在切削加工時(shí)要有足夠的冷卻液，且最好是內(nèi)冷卻，對切削液濃度也要有一定的要求。

5.3 加工此類材料時(shí)，應(yīng)用PVD刀片性能優(yōu)于CVD刀片，WSM35材質(zhì)刀片優(yōu)于 WSP45材質(zhì)刀片。無論是何種難以加工的材料，只要選對刀具和合理的加工參數(shù)，問題就一定能迎刃而解。

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