904L不銹鋼詳述
904L不銹鋼的牌號(hào)為00Cr20Ni25Mo4.5Cu，是一種含碳量很低的高合金化的超級(jí)奧氏體不銹鋼。在稀硫酸中有很好的抗腐蝕性，銅的加人使它具有很強(qiáng)的抗酸能力，專為腐蝕條件苛刻的環(huán)境而設(shè)計(jì)。因此這種不銹鋼主要用于抗腐蝕壓力容器的制造。
904L的成分以Cr、Ni等元素為主，屬于難加工材料，切削加工性較差，主要原因如下。
1）904L不銹鋼較之其他種類不銹鋼，切削力更大。因?yàn)?04L硬度雖然不高（70—90HRB），但塑性較好，延伸率≥40%，斷面收縮率≥50%，抗拉強(qiáng)度σb≥490MPa，屈服強(qiáng)度σ0.2≥216MPa，因而在切削過(guò)程中塑性變形大，使切削力增加。
2）導(dǎo)熱系數(shù)低。904L不銹鋼的熱導(dǎo)率（20℃時(shí)）為12.9W/（m·K），導(dǎo)熱系數(shù)低，只有45鋼的1/4左右（45鋼的熱導(dǎo)率為47.5W/（m·K））。導(dǎo)熱性是影響切削熱傳導(dǎo)的主要因素之一，被加工材料的導(dǎo)熱性越低，由切屑和工件帶走的熱量就愈少，而刀具上積聚的熱量就越多，使刀具極易磨損。
3）易生成積屑瘤。由于904L不銹鋼韌性大，所以在切削過(guò)程中與刀具材料的親和力強(qiáng)，切削時(shí)刀具的前刀面與切屑底層金屬發(fā)生強(qiáng)烈摩擦，在高溫高壓的作用下會(huì)產(chǎn)生粘附現(xiàn)象，生成積屑瘤，不易獲得表面粗糙度要求高的加工表面。
4）切屑不易彎曲折斷。904L不銹鋼的材料延伸率高，所以在切削過(guò)程中切屑不易彎曲而折斷。如果不采取適當(dāng)措施，會(huì)影響切削過(guò)程的正常進(jìn)行，而且容易劃傷已加工表面，甚至還會(huì)使刀具崩刃和損壞。由于904L不銹鋼的以上特點(diǎn)，在用常規(guī)刀具和傳統(tǒng)方法對(duì)其進(jìn)行切削時(shí)，即使選擇非常小的切削用量，刀具仍然極易磨損，加工效率低，且工件很難達(dá)到圖樣所要求的表面粗糙度和加工精度。在這種背景下，筆者嘗試借鑒先進(jìn)的高速切削理念，進(jìn)行904L不銹鋼的銑削加工。從理論上分析，在高速切削加工范圍，隨切削速度提高，切削力隨之減少，有利于奧氏體不銹鋼零件的切削加工。高速切削加工時(shí)，切屑以很高的速度排出，帶走大量的切削熱，切削速度提高愈大，帶走的熱量愈多，傳給工件的熱量大幅度減少，有利于降低切削刀具上積聚的熱量。高速切削加工時(shí)，轉(zhuǎn)速的提高，使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率，而工件的加工表面粗糙度對(duì)低階固有頻率最敏感，因此高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。
2.高速切削刀具系統(tǒng)設(shè)計(jì) 要實(shí)施高速切削，刀具是最活躍的因素，加工表面的形成主要依賴刀具的切削作用。常規(guī)刀具無(wú)法進(jìn)行904L的高速切削加工，必須選擇與高速切削相適應(yīng)的刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)和刀柄系統(tǒng)，并應(yīng)考慮高速切削刀具的動(dòng)平衡問(wèn)題。
2.1 刀具材料 根據(jù)904L不銹鋼的切削加工特點(diǎn)，在進(jìn)行切削時(shí)應(yīng)選擇硬度高、耐磨性好、導(dǎo)熱好、耐用度高、與不銹鋼粘附性小的刀具。而且刀具在高速切削時(shí)，要承受比常規(guī)切削更高的溫度和壓力，更劇烈的摩擦、沖擊和振動(dòng)作用，會(huì)加速刀具磨損。因此高速切削刀具材料的選擇除了要具備切削不銹鋼材料的基本性能外，還要求刀具材料具備更高的可靠性、更高的耐熱性、抗熱沖擊性及良好的高溫力學(xué)性能。 用高速鋼刀具切削904L不銹鋼時(shí)，宜采用粉末冶金高速鋼、含鈷高速鋼或含鋁超硬高速鋼，但只適用低速切削；用硬質(zhì)合金刀具切削904L時(shí)，普通牌號(hào)例如YG6、YG8，只能用于常規(guī)低速加工。904L的高速切削加工必須采用特殊材質(zhì)的刀具，才能保證零件最終的加工精度和表面質(zhì)量�？捎糜�904L不銹鋼高速切削的刀具材料主要有涂層硬質(zhì)合金、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金及金屬陶瓷刀具等。下面簡(jiǎn)要介紹三種牌號(hào)刀具，并將在下文銑削試驗(yàn)中對(duì)各自的切削性能進(jìn)行比較。
2.11.T1200A屬于金屬陶瓷刀具，價(jià)格昂貴。金屬陶瓷刀具并不是常說(shuō)的以Al2O3為主要成分的陶瓷刀具，而是指TiC基硬質(zhì)合金、TiN基硬質(zhì)合金及TiCN基硬質(zhì)合金。其性能介于陶瓷和WC基硬質(zhì)合金之間，硬度（90～94HRA）高于YG類硬質(zhì)合金，稍低于陶瓷刀具，但強(qiáng)度和韌性高于陶瓷。T1200A屬于精磨刀具，無(wú)涂層，適合加工特殊形狀的表面，并能達(dá)到較高的加工精度和較低的表面粗糙度。
2.1.2 Carmet310 Carmet310屬于超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金，它具有硬質(zhì)合金的高硬度和高速鋼的強(qiáng)度。一般來(lái)說(shuō)，硬質(zhì)合金中WC的品粒平均尺寸縮小5倍，耐磨性可以提高10倍，所以這種合金的刀具耐用度很高，長(zhǎng)時(shí)問(wèn)使用磨損很小。由于不含鈦，特別適合加工高溫合金和不銹鋼材料。Carmet3l0也是經(jīng)過(guò)精密刃磨的刀具，無(wú)涂層。 2.1.3 GC1025 屬于TiC涂層硬質(zhì)合金，相比普通硬質(zhì)合金具有較高的耐磨性
2.2 刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于904L不銹鋼屬于比較特殊的材料，所以在充分考慮高速切削條件的情況下，還要優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)，以提高刀具的切削性能、可靠性和壽命。本文用于銑削試驗(yàn)的三種牌號(hào)刀具T1200A、Carmet310和GC1025，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)。
1）刀體材料選用密度小、質(zhì)量較輕的高強(qiáng)度鋁合金，可以減輕所承受離心力的作用。
2）選用機(jī)夾式刀具結(jié)構(gòu)，刀體與刀片之間的連接配合封閉，并使夾緊機(jī)構(gòu)有足夠的夾緊力。
3）由于904L不銹鋼的切屑不易彎曲折斷，刀片結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)有容屑槽，并具備一定的斷屑功能，使排屑斷屑流暢。 三種牌號(hào)刀片都有容屑斷屑設(shè)計(jì)，但結(jié)構(gòu)不盡相同。
2.3 高速刀柄系統(tǒng) 常規(guī)切削使用的7∶24錐度刀柄有ISO、BT、SK等不同類型，適用范圍也不同。但這種刀柄與機(jī)床主軸的連接只是靠錐面定位，無(wú)端面定位結(jié)構(gòu)，主軸端面與刀柄法蘭端面間有較大間隙，不適宜在高速切削條件下使用。 目前高速切削多采用1∶10中空短錐刀柄，這種刀柄由錐面（徑向）和法蘭端面（軸向）共同實(shí)現(xiàn)與主軸的剛性連接，由錐面實(shí)現(xiàn)刀具與主軸之間的同軸度，錐柄的錐度為1∶10。1∶10刀柄主要有德國(guó)的HSK系列、美國(guó)的KM系列、日本的NC5系列和瑞典的CAPTO四大系列。其中，HSK工具系統(tǒng)應(yīng)用范圍最廣，并且已成為ISO標(biāo)準(zhǔn)。HSK刀柄的接口采用錐面和端面兩面同時(shí)定位的方式，刀柄為中空，錐體長(zhǎng)度較短，有利于實(shí)現(xiàn)換刀輕型化及高速化。由于采用端面定位，完全消除了軸向定位誤差，適合高速、高精度加工。 由于刀柄在主軸中的定位方式屬于過(guò)定位，所以安裝時(shí)必須嚴(yán)格控制錐面基準(zhǔn)線與法蘭端面的軸向位置精度，與之相應(yīng)的主軸也必須控制這一軸向精度，所以其制造工藝難度較大。加之HSK刀柄錐度較小，接近于直柄，所以這種刀柄的修復(fù)重磨很困難，比起普通標(biāo)準(zhǔn)7：24刀柄，成本高，價(jià)格約為普通刀柄的2倍左右。 2.4 刀具的動(dòng)平衡 高速切削與常規(guī)切削相比，工藝系統(tǒng)中的工件、夾具和刀具積聚著更大的能量，承受很大的離心力。任何旋轉(zhuǎn)體的不平衡所引起的離心力會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的升高，以平方關(guān)系增大。而旋轉(zhuǎn)刀具系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)與機(jī)床連接的特殊性，即使不平衡量很小，也會(huì)在高速切削時(shí)產(chǎn)生很大的離心力，從而引起機(jī)床振動(dòng)，加劇刀具磨損，影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。所以用于高速切削的回轉(zhuǎn)刀具都必須經(jīng)過(guò)動(dòng)平衡測(cè)試，并應(yīng)達(dá)到IS01940/1規(guī)定的G40平衡質(zhì)量等級(jí)，經(jīng)過(guò)測(cè)試達(dá)到要求才能用于高速切削。為此，在機(jī)夾刀具的結(jié)構(gòu)上要設(shè)置可調(diào)節(jié)動(dòng)平衡的部位。
3．銑削試驗(yàn) 銑削試驗(yàn)采用可轉(zhuǎn)位端銑刀（Ф40mm，3齒），結(jié)構(gòu)如圖1所示。刀柄采用HSK的1∶10中空短錐刀柄。加工前對(duì)刀具進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試，不平衡量符合規(guī)定要求。試件為80mm×80mm的坯料。切削參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速為5000r/min，切削速度為628m/min，進(jìn)給速度為20m/min，切削深度為0.8mm，干式切削。所用機(jī)夾刀片的材料分別為GC1025、Carmet310和T1200A，其加工性能及效果比較如表1所示。 圖1可轉(zhuǎn)位端銑刀結(jié)構(gòu) 從試驗(yàn)結(jié)果可知，由于在銑削加工中，切削刀具的磨損和缺損一般是因刀口熱裂紋的擴(kuò)散傳播所致。所以，對(duì)不銹鋼這種在加工過(guò)程中產(chǎn)生高溫的被加工材料，涂層硬質(zhì)合金刀具顯得不太適合；而超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金和金屬陶瓷刀具在高速切削904L奧氏體不銹鋼時(shí)，具有良好的抗月牙洼磨損和抗邊界溝槽磨損性能，刀具耐用度較高。而且能得到較好的加工精度和表面粗糙度，可以說(shuō)是目前加工這種難加工材料較為理想的刀具材料。 表1三種牌號(hào)刀具加工性能及效果比較 牌號(hào) 加工性能比較 加工精度 Ra/μm 刀具耐用度（連 續(xù)切削）/h Carmet310 抗邊界磨損能力較強(qiáng)，耐磨性較好。刀具前角較大， 尺寸控制能力很好。排屑槽設(shè)計(jì)比較合理，排屑流暢， 非常適合自動(dòng)加工 較 高 0.8 10.8 T1200A 耐磨性和抗月牙洼磨損能力強(qiáng)，具有較高的耐磨性、 耐熱性和抗氧化能力，與工件親和力小，摩擦因數(shù)小。 前角較大，非常鋒利。切削速度最高可達(dá)800m/min 較 高 0.8 11.4 GC1025 比其他兩種刀具不夠鋒利，控制尺寸性能較弱 較低 1.6 8.5 4 結(jié)語(yǔ) 采用高速切削技術(shù)對(duì)904L不銹鋼進(jìn)行加工，無(wú)論是加工效率、加工成本，還是加工精度、表面粗糙度和刀具耐用度，相比傳統(tǒng)切削方法都有了質(zhì)的飛躍。 實(shí)驗(yàn)證明，運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床和高速刀具系統(tǒng)，加工904L不銹鋼是 |
