某沉淀硬化不銹鋼材料的切削加工

■山西航天清華裝備有限責任公司 （山西長治 046012） 宋燕林 鄧文星 馮奎兵 初宏婧 韓利萍

05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不銹鋼經(jīng)過時效和固溶態(tài)處理后，硬度高達35HRC，在精加工時，材料硬度高、黏度大，易造成刀具黏結(jié)和擴散磨損等失效形式，導致加工成本居高不下。通過對材料和刀具失效形式進行分析，降低加工過程中切削力和刀具在加工過程中的黏結(jié)和擴散磨損。針對加工過程中的主軸功率較高，顫動較大，創(chuàng)新性地定制高效銑刀，并對加工軌跡進行優(yōu)化，以達到預(yù)期加工效果。

1. 材料分析

沉淀硬化不銹鋼含有較高的鉻、鎳和很低的碳，還含有能起到沉淀硬化作用的銅、鉈及鈦等合金元素。這些元素能在回火時析出，產(chǎn)生沉淀硬化，使鋼具有很高的強度和硬度。由于它含碳量低，保證了足夠的含鉻量，從而具有了很強的耐腐蝕性能，固溶并進行一次時效處理可最大限度獲得更多的馬氏體，組織更均勻，強化效果更好，是比較成熟和穩(wěn)定的沉淀硬化不銹鋼。05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不銹鋼中各元素含量碳（C）≤0.05%，鉻（Cr）17%，鎳（Ni）4%，銅（Cu）4%，鈮（Nb）0.15%～0.45%。

鉻為不銹耐酸鋼及耐熱鋼的主要合金元素，能提高材料的硬度、強度和耐磨性，降低伸長率和斷面收縮率，并適當增加鋼的淬透性，從而使鋼不會變脆，同時，鉻元素在時效過程中可起到二次硬化作用。

鎳元素是不銹鋼中僅次于鉻的重要合金元素，能提高材料的韌性和耐熱性，加入鎳元素后，可促進不銹鋼鈍化膜的穩(wěn)定性，提高不銹鋼的熱力學穩(wěn)定性，還能大幅度提高不銹鋼的耐酸堿和腐蝕性。

在不銹鋼中加入銅元素，可微量提高材料的耐腐蝕能力，并在不銹鋼表面沉積下來，起到強化元素的作用，促使各元素發(fā)生沉淀硬化反應(yīng)，從而增加材料的抗拉強度。

鈮元素在不銹鋼中的作用主要有兩點，一是可以形成碳化物NbC，起細化晶粒作用，防止Cr元素與C元素形成碳化物而降低Cr元素在晶界中的含量，導致晶界腐蝕；二是與Ni形成金屬間化合物，在時效時析出。

通過以上材料分析可以得出，沉淀硬化不銹鋼具有高強度、高硬度、高黏度和抗腐蝕的特性，在切削加工中，其具有切削變形大、切削力大、切削溫度高、刀具磨損快、切屑不易折斷、易產(chǎn)生積屑瘤及線膨脹系數(shù)大等特點，切削表面和已加工表面硬化現(xiàn)象非常嚴重。

2. 加工刀具分析

1）由上述沉淀硬化不銹鋼切削特點可以得出，切削沉淀硬化不銹鋼的刀具材料要求耐熱性高，耐磨性好，且與不銹鋼親和力作用小。切削刀具主要承受磨料磨損、黏結(jié)磨損和氧化磨損。所以在選擇硬質(zhì)合金刀片時，制造刀片的粉末粒徑應(yīng)屬于大顆粒粒徑，大顆粒粒徑較小顆粒粒徑在制作的基體上有更好的韌性、耐沖擊性及耐磨性。

2）硬質(zhì)合金涂層作為硬質(zhì)合金刀具的一個重要組成部分，其涂層的材質(zhì)和涂層方式的好壞直接決定了刀具的切削性能和耐用度。根據(jù)沉淀硬化不銹鋼的切削特點，加工此類材料的刀具，既要化學穩(wěn)定性好，抗氧化磨損能力強，又要具有很好的耐磨性和抗彎強度，所以選擇具備上述性能的Al2O3和TiAlN復合涂層。A l2O3涂層屬于非金屬涂層，抗黏結(jié)磨損強，TiAlN涂層會在表面形成一層極薄的非晶態(tài)A l2O3硬質(zhì)惰性保護膜，從而起到抗氧化和抗磨損作用。為達到上述刀片性能，刀片涂層方式采用物理氣相沉積法（P V D），此涂層方式可使涂層材料結(jié)合牢固，組織致密，保持原有強度韌性不受影響，涂層結(jié)束后，為提高整體的加工效果，對刀片進行整體拋光，使切屑更流暢，切屑不易在刀具表面停留和黏結(jié)，切削熱可及時排走，避免切削刀具的黏結(jié)磨損和氧化磨損。

3）切削沉淀不銹鋼刀具的幾何參數(shù)：前角，切削沉淀硬化不銹鋼時，因其塑性高、韌性大及熱強性高，為減少變形及加工硬化現(xiàn)象，降低切削力和切削溫度，在保證刀具切削刃強度的前提下，應(yīng)盡量采用較大的刀具前角，使切削刃鋒利，針對馬氏體沉淀硬化不銹鋼，刀具前角宜采用較大值，考慮到刀具后刀面與工件的摩擦和加工硬化，應(yīng)選擇10°～15°為宜。

4）加工刀片對比：經(jīng)過選型后，某刀片材質(zhì)符合生產(chǎn)需求，該刀片后角為15°，經(jīng)過實際切削實驗，發(fā)現(xiàn)刀具徑向切削線較長，單位長度內(nèi)切削力大，為此，對現(xiàn)有刀具狀態(tài)進行二次定制，將刀片傾斜角由原來的7.2°改為4.75°，切削線長度由6.77mm增加到9.83mm，切削線長度增加了45%，單位切削線長度內(nèi)切削力會降低30%，刀具耐沖擊性會進一步提升，所以刀具改進方案符合生產(chǎn)需求。改制前后刀片對比如圖1所示。

圖1 改制前后刀片對比

3. 典型零件加工

某橫梁體產(chǎn)品，長1 200mm，寬220mm，粗加工熱處理后單邊余量3.5mm，該產(chǎn)品平面輪廓較多，尺寸精度高，形成5處開放槽結(jié)構(gòu)和兩處腔體結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品三維模型如圖2所示。

銑削沉淀硬化不銹鋼時，應(yīng)盡量采用順銑法，避免切入切出時在硬化層停頓后再切入，加劇刀具磨損。銑削平面時，采用不對稱順銑法，以保證切削刃平穩(wěn)地從工件中切離，切屑黏結(jié)接觸面積也比較小，在高速離心力作用下把切屑甩掉，以避免刀齒重新切入時有切屑黏貼，沖擊工件，損壞刀具。

（1）加工難點分析 產(chǎn)品的加工難點在于如圖2所示的眾多平面及開放槽，去除平面余量時，由于材料的高黏度和高硬度特性，刀具切削力大，機床顫動大，容易引起刀具崩碎和黏連失效，甚至導致“悶車”。

（2）產(chǎn)品正面總體加工工藝分析 由于零件外形及材料的特殊性能，該件的加工選擇具有機加行業(yè)代表性的DMG MORI五軸加工中心，采用虎鉗裝夾。加工正面時，考慮到多特征導致的產(chǎn)品變形因素，首先選擇φ 63mm快進給刀具進行面開粗，開粗完平面后，對兩處凸臺側(cè)壁及總長進行開粗?？傮w開粗刀路軌跡如圖3所示，加工效果如圖4所示?？傮w開粗后選擇面銑刀對平面進行光整，最后對4處開放槽進行銑削。

圖2 橫梁體三維模型

圖3 總體開粗刀路

圖4 開粗實際效果

采用定制刀具后，對原有切削軌跡進行優(yōu)化，采用動態(tài)擺線銑削模式進行開粗，動態(tài)銑削時，刀具平滑切入，當?shù)毒咔邢鲗挾扔尚∽兇蟮竭_最大切削寬度時，此時形成切削包角α（見圖5），包角越小，接觸弧長越短，接觸面間所產(chǎn)生的摩擦力就越小，切削穩(wěn)定性也就越好，包角推薦值范圍建議≤120°，當＞120°時，不論刀具性能如何，都會比＜120°所需的機床剛性和切削力更大，切削性能更差，刀具耐用度更低，當＞180°時，不論何種切削方式，都會因為切削力過大帶來很大的機床顫動。

圖5 切削包角示意

（3）加工過程分析 加工中，定制版φ 63mm銑刀快進給線速度高達200m/min，遠高于廠家推薦的120m/min的線速度，擺線切削寬度初步設(shè)定為16mm，切削深度為0.7mm。根據(jù)加工過程中機床顫動和主軸負載數(shù)據(jù)分析，擺線切削寬度仍未達到該刀具的合理范圍，經(jīng)過數(shù)次試驗，將擺線切削寬度設(shè)定為23mm，切削包角為148°，此時進給速度高達3 300mm/min，面開粗過程切削力穩(wěn)定，機床顫動穩(wěn)定，刀具切削壽命高達120min，較之前的30min提高4倍，刀具成本降低一倍。

由于不銹鋼硬化嚴重，再切削時，刀具不要再切削表面停留，切入切出要迅速果斷，以免夾具切削表面硬化，給下一次入刀帶來困難。

開放槽加工時，由于兩處30mm槽槽寬窄，小刀加工時刀具懸伸長、剛性差，在此選擇φ 20mm較大飛刀進行開粗，原有加工工藝為淺切削深度，小進給方式，實際加工中因為小刀具的耐沖擊性較差，每加工一個開放槽就需要更換一次刀片，嚴重制約生產(chǎn)進度，刀具成本居高不下。對工藝進行優(yōu)化后，采用剝銑加工方式，由于刀具與工件之間的徑向接觸區(qū)減小，刀具在切削過程中升溫時間縮短，冷卻時間延長，所以刀具耐用度大幅度提高。槽加工如圖6所示。

優(yōu)化參數(shù)后， ae= 2 ～2.5m m，vc=110～130m/m i n，ap=3.3 ～3.8 m m，f=8 0 0 ～1 000mm/r，改進后每組刀片可加工30mm槽6個，刀具耐用度大幅度提升，加工效率也較改進前提升三倍，刀具成本降低83%。整體加工后效果如圖7所示。

圖6 槽加工效果

圖7 整體加工效果

4. 結(jié)語

通過此次研究改進，突破了05Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不銹鋼材料硬度高、黏刀嚴重等難加工問題，提高了零件的一次交驗合格率，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，減少了產(chǎn)品在加工過程中由刀具等引起的不穩(wěn)定因素，使單件產(chǎn)品的時間成本降低了50%，刀具成本降低了60%。達到了降本增效的目的。