高錳鋼切削加工工藝性能的分析

孫廣軍

摘 要：本文論述了高錳鋼材料的特性，列舉了高錳鋼零件切削加工工藝性能及切削加工加工過程中經(jīng)常出現(xiàn)的不良現(xiàn)象，分析了出現(xiàn)切削問題的原因，并以高錳鋼材料的車削加工為例指出了提高切削加工工藝性能的刀具參數(shù)、切削用量和輔助切削的特殊方法，為提高高錳鋼材料的切削效率提供參考。

關(guān)鍵詞：高錳鋼；切削加工；切削加工工藝參數(shù)

高錳鋼是一種耐磨鋼，錳的含量通常在1O%-18%之間。在常溫下，通過對高錳鋼進(jìn)行水韌處理，可得到均勻啟勺單相奧氏體組織，單相奧氏體組織的強(qiáng)度、硬度比較低，具有很好的塑性及韌性。當(dāng)材料表面遇到?jīng)_擊、突然加壓或摩擦后發(fā)生塑性變形，同時材料表面被劇烈強(qiáng)化，硬度可達(dá)HBW450-550，表面獲得良好的耐磨性，同時材料內(nèi)部仍保持良好的塑性及韌性。由于高錳鋼具有良好的耐磨性能及抗沖擊性能，其廣泛應(yīng)用于采石、挖掘、采礦、鑄造、煤炭工業(yè)及鋼鐵行業(yè)。

由于高錳鋼組織具有導(dǎo)熱系數(shù)低、線膨脹系數(shù)大、伸長率大和易加工硬化等特點(diǎn)，造成高錳鋼材料切削加工工藝性能很差，車削加工的過程中容易出現(xiàn)加工硬化、切削力大、切削溫度高、加工精度低及斷屑困難的問題。嚴(yán)重影響了高錳鋼制品的成品率機(jī)加工效率，造成高錳鋼制品加工成本提高。因此需要根據(jù)高錳鋼材料的特性探索合理的切削加工工藝參數(shù)，有效地解決高錳鋼的切削加工難題。

1高錳鋼切削加工過程中容易出現(xiàn)的問題

1.1加工硬化

由于水韌處理后的高錳鋼組織為均勻的單相奧氏體組織，由于面心立方晶格的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，受到外力作用晶格容易發(fā)生滑移，同時誘發(fā)硬度較低的奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)楦哂捕鹊鸟R氏體組織，使材料加工面發(fā)生加工硬化現(xiàn)象（硬度可達(dá)HBW 500）。使））具磨損嚴(yán)重。

1.2切削力大，刀尖處應(yīng)力集中嚴(yán)重

經(jīng)X射線衍射儀及比對標(biāo)準(zhǔn)卡片分析得出高錳鋼工件在切削過程中，材料表面會發(fā)生氧化反應(yīng)生成Mn203，經(jīng)金相顯微鏡測定氧化層厚度約為o.1-o.3mm。氧化層的存在使切削力顯著增加。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定利用硬質(zhì)合金刀具車削高錳鋼外圓時的切削力是普通中碳鋼的1.6倍左右。用YG類硬質(zhì)合金刀具車削高錳鋼工件時，車削速度小于20m/min時刀具前刀面上的平均應(yīng)力約為1000Mpa，是普通中碳鋼的3-4倍。刀尖處為應(yīng)力集中點(diǎn)，容易造成刀具嘣刃。

1.3切削溫度高

由于高錳鋼工件需要較大的切削力及切削功率，因此，工件表面因切削產(chǎn)生的熱量多，加上高錳鋼材料導(dǎo)熱系數(shù)低，工件表面切削區(qū)的溫度很高，刀具切削刃熱磨損嚴(yán)重，降低車刀的使用壽命。

1.4加工精度低

由于高錳鋼材料導(dǎo)熱系數(shù)低，工件切削溫度高，加上高錳鋼材料的線膨脹系數(shù)大，導(dǎo)致工件加工面易產(chǎn)生熱變形，影響車削精度。同時，在高溫、高壓作用下刀具易形成積屑瘤和鱗刺，造成工件加工面粗糙度大且加工精度低。

1.5切屑韌性大，強(qiáng)度高，不易斷屑

經(jīng)過水韌處理后的高錳鋼組織為均勻的單相奧氏體組織，具有極高的韌性，約為45#鋼的8倍，材料的伸長率大及變形系數(shù)都比較大，切削加工時切屑不易卷曲和斷屑，處理困難。

2改善高錳鋼切削加工工藝性能的措施

2.1加工前后進(jìn)行熱處理

高錳鋼工件加工之前，高錳鋼工件加熱至600一650攝氏度，保溫兩小時后冷卻，這種熱處理方式為高溫回火處理，高溫回火處理可使高錳鋼內(nèi)部的奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w組織，回火索氏體比奧氏體具有更好的機(jī)械性能，有效降低了高錳鋼切削加工時的加工硬化現(xiàn)象，從而改善了高錳鋼的切削加工性能。完成切削加工后的零件，需要重新進(jìn)行淬火處理，使回火索氏體重新轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗鄪W氏體組織。

2.2選擇適宜的刀具材料

高錳鋼材料由于具有極高的硬度及耐磨性，屬于比較典型的難加工材料，對加工刀具的材質(zhì)有嚴(yán)格的要求。如表1所示，刀具選用時要優(yōu)先選用硬度高、強(qiáng)度、韌性、熱硬性高、耐磨性好和導(dǎo)熱系數(shù)高的刀具。

另外，還可選用立方氮化硼CBN刀具，這種材料的硬度僅次于金剛石，是一種超硬材料，在高溫下還能保持超高硬度。為避免否則CBN與被切削工件Mn元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成刀具磨損，利用立方氮化硼CBN刀具切削工件時，工件的含錳量要低于14%。

2.3合理的刀具幾何角度參數(shù)的選擇

由于高錳鋼材料具有較高的塑性和韌性，切削加工過程中容易出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象，且切削溫度高，斷屑困難，刀尖處應(yīng)力集中嚴(yán)重，容易造成刀具崩刃，因此需要合理選擇刀具的幾何參數(shù)。本文以車削外圓為例給出車刀工藝參數(shù)參考值。

2.3.1刀具前角γo與后角αo選取

車削高錳鋼工件外圓時，為了盡量減輕材料的加工硬化現(xiàn)象，刀具要保持鋒利。常采用小前角或負(fù)前角，同時選用較大的后角，這樣有利于保證刃口強(qiáng)度及保證良好的散熱。后角太不宜過大，過大的后傾角會降低刀口強(qiáng)度車削時造成刀具崩刃。加工高錳鋼工件時刀具合理的參數(shù)值見表2。粗車時取小值，精車時取大值。

2.3.2刀具主偏角kr，與副偏角kr選取

選用較小偏角與副偏角有利于切削表面散熱及保證刀尖強(qiáng)度，提高刀具的耐用度。加工高錳鋼工件時刀具合理的參數(shù)值見表3。選取時需要結(jié)合工藝系統(tǒng)剛性。工藝系統(tǒng)剛性較好時取小值。反之，取大值。

2.3.3刀具刃傾角λs選取

切削高錳鋼工件時了使刀尖有足夠的強(qiáng)度及散熱能力，一般選擇負(fù)刃傾角。硬質(zhì)合金材料刀具刃傾角λs=-5°-0°；陶瓷材料刀具刃傾角λs=-10°- 0°。粗車加工時刃傾角取較大的負(fù)值，精車加工時刃傾角取較小的負(fù)值。

2.3.4刀尖圓弧半徑λε選取

由于刀尖部分為高應(yīng)力區(qū)域，修磨刀尖時應(yīng)保留較大的圓弧半徑，以保證刀尖部分的強(qiáng)度和良好的散熱能力，提高刀具使用。刀尖圓弧半徑的選取和加工精度有直接的關(guān)系。粗車加工時刀尖圓弧半徑λε=1-2mm；半精車加工時刀尖圓弧半徑λε=0.5-1mm；精車加工時刀尖圓弧半徑λε=0.5-0.2mm；

2.3.5刃口倒棱

車刀最易損壞的是切削刃，通常需要將刃口修磨出負(fù)倒棱來提高刀刃的強(qiáng)度。減少崩刃現(xiàn)象。同時，刀具上需要設(shè)計(jì)斷屑槽保證良好的斷屑能力，加工高錳鋼工件時刀具刃口倒棱參數(shù)見表4。

2.4合理選擇切削用量

選擇切削用量時需要注意高錳鋼材料的加工特點(diǎn)：切削力大、切削溫度高、刀具磨損快等方面，設(shè)定的切削速度不宜太高。同時，由于高錳鋼材料在塑性變形和切削力的影響下存在的加工硬化現(xiàn)象，切削過程中高錳鋼工件在切削層及表層0.1-0.3mm深度范圍內(nèi)會產(chǎn)生嚴(yán)重的硬化現(xiàn)象。應(yīng)選擇較大的切削深度和進(jìn)給量盡量避開毛坯表層和前一次走刀造成的硬化層。加工高錳鋼工件時切削用量見表5。

2.5采用特殊方法輔助切削

常見的輔助切削方法有以下幾種：

3結(jié)論

高錳鋼具有良好的耐磨性能及抗沖擊性能，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但高錳鋼材料車削加工的過程中容易出現(xiàn)加工硬化、切削力大、切削溫度高、加工精度低及斷屑困難的問題。本文通過分析這些現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，指出了高錳鋼材料在車削加工過程中合理的刀具參數(shù)的選取、切削用量的設(shè)定及和輔助切削的一些特殊方法。有效提高高錳鋼工件的切削加工工藝性能。

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