高強(qiáng)度不銹鋼Custom465高速車削

劉壯壯，周鵬

西安慶安航空機(jī)械制造有限公司 陜西西安 710018

1 序言

馬氏體沉淀硬化不銹鋼兼具馬氏體時(shí)效鋼良好的力學(xué)性能和不銹鋼良好的耐蝕性，其基體含碳量很低。Custom465是美國(guó)卡朋特公司研發(fā)的一種新型的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，抗拉強(qiáng)度可達(dá)1800MPa，是一種性能優(yōu)異的不銹鋼，它擁有良好的耐蝕性、高抗拉強(qiáng)度和較高的斷裂韌性，其冷拔斷面的收縮率可以超過70%，這些優(yōu)良的金屬性能使此材料相對(duì)于其他不銹鋼，加工難度大大增加。

2 Custom465的化學(xué)成分及金屬特性

Custom465的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）見表1。從表1可以看出，此材料中鉻、鎳、鉬及鈦等成分含量較高，因此具有良好的金屬特性，其特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)。

表1 Custom465的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（1）耐蝕性良好 材料中含有Cr等元素，使得此材料具有良好的耐蝕性，在許多情況下其耐蝕特性可與Custom630或者13-8Mo相媲美。

（2）硬度高 此材料在H950的狀態(tài)下，具有非常高的硬度，其硬度可達(dá)到47HRC，使得其具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

（3）強(qiáng)度高 此材料的抗拉強(qiáng)度是1800MPa，在這種狀態(tài)下，其冷拉拔斷面的收縮率可以超過70%。

（4）耐磨性差 此材料具有良好的韌性和耐蝕性，但是有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)就是其耐磨性能不足。

此材料擁有較高的硬度和抗拉強(qiáng)度，并且含有比例較高的Ni、Ti等元素，使得其成為難加工的材料。

在加工過程中主要會(huì)出現(xiàn)下述幾種情況：①刀具與切屑的直接摩擦加劇，刀具材料與工件材料產(chǎn)生親和作用，加之材料硬質(zhì)點(diǎn)的存在和嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象，刀具在切削過程中易產(chǎn)生磨損，使刀具喪失切削性能。②合金有高塑性和高韌性的特點(diǎn)，再加上強(qiáng)化系數(shù)高，在切削力和切削熱的作用下產(chǎn)生巨大的塑性變形，造成加工硬化。在切削熱的作用下，材料吸收周圍介質(zhì)中的氫、氧及氮等元素的原子，形成硬脆的表層，給切削帶來很大的困難。③由于材料具有高的硬度和強(qiáng)度，原子密度和結(jié)合力大，抗斷裂韌性和持久塑性高，在切削過程中切削力大，而且切削力的波動(dòng)也比較大。④合金在切削過程中消耗的切削變形功率大，產(chǎn)生的熱量多，在切削區(qū)集中了大量的切削熱，形成了很高的 切削溫度。

3 影響切削的因素分析

切削熱以及由切削熱而產(chǎn)生的切削溫度是影響切削過程的非常重要的物理因素。大量的切削熱使得切削區(qū)域的溫度升高，直接影響刀具的磨損和使用壽命，并且影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。因此，對(duì)加工過程的切削溫度進(jìn)行研究對(duì)于高效、穩(wěn)定地生產(chǎn)制造具有重要的意義。

（1）切削熱 被切削的金屬材料在刀具切削的作用下發(fā)生彈性變形和塑性變形，這個(gè)過程會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱。同時(shí)，切屑與前刀面、工件及后刀面之間消耗的摩擦功也將轉(zhuǎn)化為熱量，這是切削熱的另一個(gè)來源。

（2）影響切削溫度的主要因素 ①工件材料。工件材料的強(qiáng)度、硬度越高，切削時(shí)產(chǎn)生的熱量就越多，切削溫度就越高，工件材料的熱導(dǎo)率大時(shí)，溫度會(huì)下降得快一點(diǎn)。②刀具的幾何參數(shù)。刀具的前角、主偏角、刀尖R及斷屑槽的結(jié)構(gòu)等都會(huì)影響切削過程中切削熱的產(chǎn)生。③切削參數(shù)。切削速度對(duì)溫度的影響最大，其次是進(jìn)給量和背吃力量。 ④其他因素。當(dāng)?shù)毒叱霈F(xiàn)磨損時(shí)，加劇了刀具與工件的摩擦，會(huì)使得切削溫度升高，使用切削液對(duì)于降低切削溫度有良好的作用。

4 加工過程模擬分析

近年來，有限元方法在切削工藝中的應(yīng)用表明，切削過程中的有限元模擬加工對(duì)了解切削機(jī)理，提高切削質(zhì)量很有幫助。通過有限元仿真可以減少基礎(chǔ)試驗(yàn)、重新設(shè)計(jì)刀具，減少試驗(yàn)過程產(chǎn)生的材料浪費(fèi)，縮短零件的加工周期，并且減少加工過程的整體費(fèi)用。

傳統(tǒng)的變量篩選方法有前進(jìn)法、后退法、逐步回歸法、最佳子集法；常用的逐步回歸法已可有效篩選變量。在多元回歸分析中，亦有使用主成分分析法、正交變換法篩選變量。如果多元線性回歸建模效果不好，研究對(duì)象較為復(fù)雜，基于MIV的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、自變量降維的遺傳算法，以及針對(duì)小樣本的支持向量回歸法（SVR）等值得關(guān)注。

應(yīng)用有限元方法的7個(gè)主要步驟是：建立積分方程→區(qū)域單元?jiǎng)澐帧_定單元基函數(shù)→單元分 析→總體合成→邊界條件處理→解有限元方程。由于沒必要得出科研級(jí)別的精確結(jié)果，因此可將上述7個(gè)步驟簡(jiǎn)化成以下5個(gè)主要步驟：建立幾何模型→網(wǎng)格劃分→設(shè)置初始條件→模擬運(yùn)行過程→后處理。筆者結(jié)合已有的有限元分析技術(shù)，利用分析軟件Deform 3D，對(duì)高強(qiáng)度不銹鋼Custom465的加工過程進(jìn)行分析，主要分析加工過程的切削溫度及切削溫度與加工參數(shù)的關(guān)系。

（1）刀具前角對(duì)切削溫度的影響 利用Deform 3D進(jìn)行模擬，可使用不同的切削速度、不同刀具前角的刀具進(jìn)行切削分析。使用8組數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析，數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 刀具前角對(duì)切削溫度的影響

由表2可得出刀具前角對(duì)切削溫度的影響，如圖1所示。隨著前角的增大，切削溫度會(huì)降低，但是前角過大，又會(huì)使切削區(qū)域的溫度散熱面積減小。

圖1 刀具前角對(duì)切削溫度的影響

（2）切削速度的影響 同樣使用8組試驗(yàn)參數(shù)，模擬切削速度與切削溫度的關(guān)系，使用的試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果見表3，其線性關(guān)系如圖2所示。

圖2 切削速度對(duì)切削溫度的影響

表3 切削速度對(duì)切削溫度的影響

通過試驗(yàn)可以得出，在切削速度提升的情況下，切削區(qū)的切削溫度提升很快。因此要選用高硬度、涂覆耐高溫涂層的刀具，此類刀具的切削壽命長(zhǎng)且能控制加工過程的穩(wěn)定性。刀具的前角以及切削參數(shù)要進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，以便取得良好的加工質(zhì)量。

（3）進(jìn)給量的影響 使用8組試驗(yàn)參數(shù)模擬進(jìn)給量與切削溫度的關(guān)系，使用的試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果見表4，其線性關(guān)系如圖3所示。

表4 進(jìn)給量對(duì)切削溫度的影響

圖3 進(jìn)給量對(duì)切削溫度的影響

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及圖3能夠看出，隨著進(jìn)給量的增加，切削溫度逐漸上升，但是上升的速度正逐漸下降。

（4）背吃刀量的影響 使用8組試驗(yàn)參數(shù)模擬背吃刀量與切削溫度的關(guān)系，使用的試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果見表5，其線性關(guān)系如圖4所示。

表5 背吃刀量對(duì)切削溫度的影響

圖4 背吃刀量對(duì)切削溫度的影響

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及圖4能夠看出，隨著背吃刀量的增加，切削溫度逐漸上升。

5 加工驗(yàn)證

為了更好地研究Custom465的切削性能及切削過程，使用完全熱處理后的H950狀態(tài)的材料進(jìn)行切削試驗(yàn)，主要研究合適的切削刀具及加工參數(shù)。

1) 首先試驗(yàn)車削外圓粗加工過程，試驗(yàn)的切削參數(shù)見表6。

表6 粗車切削參數(shù)

結(jié)果顯示，1號(hào)刀具和2號(hào)刀具在粗加工中顯示出良好的切削性能，在耐用程度上，刀具圓角較大的刀具壽命會(huì)更長(zhǎng)。3號(hào)刀具和4號(hào)刀具的切削性能較差，很容易出現(xiàn)磨損，無法正常加工。隨著切削速度的提升，1號(hào)刀具和2號(hào)刀具的切削性能出現(xiàn)直線下降，無法完成單件工件的加工并且出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，加工狀態(tài)極其不穩(wěn)定。

2）接下來試驗(yàn)精加工車削外圓，試驗(yàn)的第1組參數(shù)見表7，第2組參數(shù)見表8。

表7 第1組精車切削參數(shù)

表8 第2組精車切削參數(shù)

結(jié)果顯示，1號(hào)、2號(hào)及5號(hào)、6號(hào)刀具效果較差，在工件外圓出現(xiàn)了明顯的色差以及環(huán)狀的加工紋路，效果較差，不適合精加工。3號(hào)、4號(hào)刀具效果較好，工件的表面顏色一致，表面粗糙度可以達(dá)到圖樣要求。繼續(xù)研究3號(hào)、4號(hào)刀具的切削數(shù)據(jù)。當(dāng)切削速度＞120m/min、背吃刀量＞0.15mm時(shí)，零件外圓的表面粗糙度又無法穩(wěn)定保證，刀具磨損加劇，加工狀態(tài)較差。當(dāng)加工參數(shù)控制在上述參數(shù)以內(nèi)，3號(hào)、4號(hào)刀具加工狀態(tài)相近，可保證工件穩(wěn)定的加工質(zhì)量。

3） 由于內(nèi)孔較小，因此鏜孔時(shí)選擇尺寸較小的刀片，根據(jù)車削外圓的加工經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置試驗(yàn)的切削參數(shù)（見表9）。2號(hào)刀具在切削速度、背吃刀量、進(jìn)給量、刀具壽命以及工件表面質(zhì)量幾個(gè)方面都表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，提高了整體的切削效率，試驗(yàn)較為成功。

表9 粗鏜孔切削參數(shù)

4) 精加工鏜削內(nèi)孔的試驗(yàn)切削參數(shù)見表10。由表10數(shù)據(jù)可知，將進(jìn)給量控制在0.08mm/r，進(jìn)給速度控制在30～60m/min，背吃刀量控制在0.05～0.10mm，可保證1號(hào)刀具切削效果良好，2號(hào)刀具的狀態(tài)較差。

表10 精加工鏜削內(nèi)孔切削參數(shù)

6 結(jié)束語

利用軟件模擬加工過程，根據(jù)模擬結(jié)果試驗(yàn)Custom465車削性能，可以得出如下結(jié)論。

（1）粗加工 在粗加工階段，選擇C形刀片，可保證刀具擁有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)選擇較大的刀具圓角，保證刀具具有足夠的耐磨性能。

（2）精加工 精加工要保證工件良好的表面質(zhì)量，一般會(huì)選擇V形刀片，刀具的圓角可選擇R0.2mm或者R0.4mm，這樣能保證刀具足夠鋒利，使加工出的工件具有良好的表面質(zhì)量。

（3）斷屑槽 因?yàn)榇瞬牧蠐碛辛己玫乃苄?，不易斷屑，在選擇斷屑槽時(shí)，要盡量選擇輪廓變化較快的結(jié)構(gòu)，可以保證切屑易于折斷，防止切屑纏繞，損傷已加工表面。例如WIDIA的SM刀具的斷屑槽，這種槽形可以最大限度地減少材料與刀片的連接，容易斷屑。該刀片所擁有的特征使得其加工Custom465材料時(shí)，可以獲得良好的表面粗糙度。

（4）刀具涂層 由模擬試驗(yàn)可知，在加工時(shí)，切削區(qū)域的切削溫度非常高，選擇的刀具要耐高溫，保證刀具在切削時(shí)擁有良好的切削狀態(tài)。例如，選擇PVD涂層、TN6010涂層等，這些涂層使刀具適用于加工硬度較高的材料。

（5）合理的加工參數(shù) 在切削性能優(yōu)良的材料時(shí)，不能一味地追求高的切削用量，必須保證穩(wěn)定的加工狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上提高切削效率。

（6）科學(xué)的工藝安排 高強(qiáng)型不銹鋼一般都具有兩種狀態(tài)，在最終熱處理前，零件的硬度和強(qiáng)度都比較低，可使用較大的切削用量，因此要在最終熱處理前盡量多去除一些材料，減少精加工的切削量，提高效率。

根據(jù)上述分析，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果可知：粗加工外圓時(shí)，可選擇較大的切削量，其產(chǎn)生的切屑較厚，為卷曲狀，如圖5所示。鏜削內(nèi)孔時(shí)，粗加工階段的切削用量較車削外圓時(shí)低，其切屑厚度比粗加工薄，如圖6所示。精車外圓和精鏜內(nèi)孔時(shí)，切削用量較小，切屑為絮狀，如圖7所示。

圖5 粗車外圓切屑

圖6 粗鏜內(nèi)孔切屑

圖7 精車外圓和精鏜內(nèi)孔切屑

使用合理的加工參數(shù)，可保證加工出的工件有良好的表面質(zhì)量，并且加工時(shí)狀態(tài)比較穩(wěn)定，過程受控，工件的外圓及內(nèi)孔表面狀態(tài)如圖8、圖9所示。

圖8 外圓精加工狀態(tài)

圖9 內(nèi)孔精加工狀態(tài)