难加工材料-不锈钢高效车削技术及其刀具研究*

何耿煌，张守全，邹伶俐

(1.厦门金鹭特种合金有限公司，福建 厦门　361006；2.哈尔滨理工大学 高效切削及刀具国家地方联合工程重点实验室，哈尔滨　150080)



难加工材料-不锈钢高效车削技术及其刀具研究*

何耿煌1,2，张守全1，邹伶俐1

(1.厦门金鹭特种合金有限公司，福建 厦门361006；2.哈尔滨理工大学 高效切削及刀具国家地方联合工程重点实验室，哈尔滨150080)

不锈钢是不锈耐酸钢的简称，因其具有抗空气、抗蒸汽、抗水分以及抗酸等腐蚀的优良特性，被广泛用于航空航天、交通运输、石油化工以及核工业等领域。由于不锈钢中含有Cr、Ni、Ti和Mn等铁族元素，与硬质合金刀片中的Co元素属于同族元素，切削过程中容易产生刀-屑粘结和元素扩散等问题，是典型的难加工材料。首先对不锈钢的材质进行阐述；通过分析不锈钢切削加工特点，明确其难加工的本质原因；从刀具-工件匹配性、刀具结构-切削工况匹配性以及切削参数匹配性等方面进行研究，总结不锈钢高效切削刀具设计原则；最终，提出不锈钢车削专用刀具设计方法，研究数据以期为难加工材料的高效车削提供参考。

不锈钢；高效车削；刀具设计；切削参数；断屑槽

0　引言

难切削材料是指切削过程中刀具的使用寿命短、切屑难以折断以及工件表面质量难以保证等可切削性差的材料[1-2]。从工件的物理力学性能方面分析，难切削材料主要特征有：抗拉强度σb>0.97GP、硬度大于HB250、冲击韧性αk≥0.97MJ/m2、延伸率δ≥30%以及导热系数λ≤41.7W/(m·℃)。随着科学技术的发展，不同行业领域对零部件材料的性能提出了更高的要求，因此，使得实际使用中的零部件材料种类繁多，物理和化学性能都不尽相同[3]。对于某些难切削材料而言，并非其所有的物理力学性能指标都在上述数值范围内，因而必须根据具体情况进行分析。

不锈钢是诸多难切削材料中较为典型和常见的材料之一。不锈钢因其材质中添加了Cr、Mo、Ti以及Ni等元素，使得其具有优良的抗腐蚀性能和高温强度保持性[4]。按照不锈钢材质的不同，可将其分为：奥氏体不锈钢(如：301、302、30、309S和310S)，马氏体不锈钢(如：403、410和414)，铁素体不锈钢(如：446、445和447)，奥氏体-铁素体双相不锈钢(如：2Cr13、3Cr13和4Cr13)以及沉淀硬化不锈钢(如：0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al和0Cr15Ni25Ti2MoVB)，不同种类的不锈钢金相组织如图1所示。由于不锈钢种类繁多，性能各异，给切削加工带来较大的困难。因此，分析不锈钢的切削特点，研究其可切削性能，对不锈钢高效切削专用刀具的设计和切削技术的提升具有十分积极的实际意义。

(a)奥氏体不锈钢　　　　　　　　(b)马氏体不锈钢

(c)铁素体不锈钢　　　　　　(d)奥-铁素体双相不锈钢

1　不锈钢可切削性分析

倘若以优质碳素钢45#的可切削性为参考标准，并设为1.0。那么奥氏体不锈钢304的可切削性约为0.37，铁素体不锈钢447的可切削性约为0.47，马氏体不锈钢410的可切削性约为0.55，而奥氏体-铁素体双相不锈钢可切削性最差，约为0.2～0.35。综合分析各种不同种类的不锈钢可切削性，其切削特点为：

(1)切削变形严重

不锈钢的塑性较大，有些牌号的不锈钢延伸率δ≥40%。材质中奥氏体固溶体晶格滑移系数较大，塑性变形大，切削过程中工件材料受到刀具的挤压作用后，首先产生轻微的弹性形变；随着切削的深入进行，工件材料受挤压部分的材料内部应力和应变继续增加，当达到工件材料的屈服点时，便开始产生塑性变形，如：奥氏体不锈钢的切削变形系数Λh是45#的1.7倍以上。

(2)切削过程机械载荷大

不锈钢切削过程中，其切削力比切削优质碳素钢45#大26%。主要原因在于：不锈钢具有优良的高温强度保持性，材质中含有较多的高熔点和高激活能的组织，原子间结构较为稳定。如：在550℃时，不锈钢304的抗拉强度σb=510MPa而45#的抗拉强度σb仅为70MPa。

(3)加工硬化现象严重

不锈钢切削过程中，切削变形严重，晶格间易产生严重的扭转变形，在较高的切削温度和机械载荷作用下，不稳定的奥氏体将部分向马氏体转化，强化相也从固溶体中析出并弥散分布在材质中从而引起工件已加工表面产生强化效应。文献[5-6]研究表明：经过切削的不锈钢表面硬化程度可达250%～350%，硬化层深度更是达到切削深度ap的1/3。切削实验数据表明：切削参数、刀具的几何参数以及刀具的磨损状态对不锈钢加工硬化均存在一定的影响，图2和图3给出了不锈钢304切削过程中的加工硬化情况。

A-不锈钢304；B-40Cr；C-不锈钢304退火;vc=100m/min；

f=0.4mm/r；ap=4mm;γ0=11°；α0=11°；κr=45°;刀具牌号：H13A

图2车削不锈钢A304时加工硬化曲线

A-ap=4mm，f=0.4mm/r；B-ap=0.4mm，f=0.1mm/r;vc=100m/min;γ0=11°；α0=11°；κr=45°;刀具牌号：H13A；工件材料：不锈钢304

图3切削深度ap和进给量f对加工硬化的影响

(4)切削过程温度载荷大

不锈钢材料强度高、切削变形严重、切削过程中机械载荷大、消耗的切削功较多、产生的切削热多，又加上导热系数λ≤41.7W/(m·℃)，因此切削温度比切削常规钢种的高得多，最高可达1000℃。

(5)刀具使用寿命短

不锈钢切削加工过程，加工表面容易产生加工硬化及各种变性的硬化物，工件材料中含有γ′相的硬质点容易引起刀具的过早磨损；刀和工件材质中均含有铁族元素，亲和力强，刀-切屑间易产生粘结而引起刀片前刀面发生粘结磨损现象；温度载荷过大，刀具材质中的一些金属元素，如：Co、Ti、W、Ni和Mo等容易扩散到工件和切屑中，从而引起刀具产生扩散磨损现象；刀具的切入和切出，波动的机械载荷和温度载荷易引起刀具早期疲劳，从而产生疲劳裂纹并最终断裂。

(6)加工精度和表面光洁度不易保证

不锈钢切削过程中易产生积屑瘤。当刀具前角选择过小时，刀具较钝，在较低切削速度下，切屑呈挤压断裂状态，在切削宽度方向上切屑会产生变形，从而导致表面光洁度降低。由于不锈钢导热性差，再加上延伸率δ较大，因此在较高切削温度下，工件极易发生热变形，加工精度较难获得保证[7]。切削实验表明：选用高性能硬质合金或陶瓷刀具结合较锋利的切削刃以及较高切削速度(vc≥150m/min)并选用合理的冷却方式，能获得较理想的表面光洁度和加工精度。

2　不锈钢车削加工技术

不锈钢的车削加工在其全部切削种类中所占比例最大。要达到高效车削不锈钢的目的，应当遵循刀具-工件材质匹配性、刀具结构-切削工况匹配性、切削参数匹配性以及冷却方式匹配性等原则。

2.1刀-工件材质匹配性

刀-工件材质匹配性主要出发点在于最大限度降低工件-刀-切屑间的亲和作用。车削不锈钢工件，刀具材质必须要具备优良的红硬性、优良的抗弯强度、良好的抗磨损和热传导性能、良好的抗刀-屑粘结性能以及抗氧化磨损和抗扩散磨损等方面的特性。目前，常选用YG类硬质合金车削不锈钢(如：YG8)，这类硬质合金能有效减弱刀具材质某些元素与工件材质中Ti元素的亲和力，从而降低刀-屑间发生粘结磨损和扩散磨损的概率。近年来，随着切削刀具技术的发展，诞生了许多针对不锈钢车削加工的新型刀具材料，典型的代表有：厦门金鹭特种合金有限公司的GA4230、GS3115和GM3125；瑞典山特维克的R1P和H13A；美国肯纳的K4H和K29；德国赫尔特的KM1和M10以及日本住友的U10E和A30N等。

工件材料：不锈钢304；刀具材料：H13A;vc=100m/min；f=0.25mm/r；

ap=1.5mm

图4车削不锈钢304时刀具前角γ0和使用寿命T关系曲线

2.2刀具结构-切削工况匹配性

(1)车刀前角γ0和断屑槽的选择

车削不锈钢时，应当在保证刀具机械强度的前提下，最大限度的选用大的刀具前角，以减小切削过程中工件的塑性变形，降低切削热和减弱加工硬化。如：车削材质为奥氏体或铁素体不锈钢工件时，可选用较大前角的刀具；车削材质为马氏体不锈钢时，可选用较小前角的刀具。通常情况下，车削同种材质的不锈钢，当选用不同前角γ0的刀具时，其使用寿命和径向磨损量NB是不同的，如图4所示。不锈钢车削专用刀具前角γ0的推荐值如表1所示。

表1　不锈钢车削刀具前角γ0的推荐值

由于车削过程中，切入和切出瞬间的机械载荷和热冲击载荷会对刀具使用寿命产生影响，为了预防因前角的增加而降低切削刃强度，车削刀具的断屑槽横截面结构可采用如图5的形式。这种结构形式的优势在于：断屑槽曲面各个点的方向角度不一致，A点处的前角γ0最大，沿着曲面边缘方向逐渐减小，从而使切削刃和断屑槽底部强度获得提升。根据几何关系式，前角γ0、断屑槽宽度WT和横截面曲面半径r的关系为：

(1)

图5　不锈钢车削用断屑槽横截面示意图

(2)车刀后角α0的选择

由于不锈钢粘性和韧性比较大，切削过程中刀-工件间摩擦较剧烈，因此，应选择较大后角的刀具进行切削。如：采用牌号为H13A的硬质合金车削不锈钢304时，其理想后角α0≈11°(如图6所示)。在实际生产过程中，由于硬质合金可转位车刀的前角γ0已经很大，倘若后角α0也取较大值，那么会导致楔角θ减小，从而影响刀片的整体强度(如图5所示)。因此，不锈钢硬质合金可转位车刀后角推荐值如表2所示。

工件材料：不锈钢304；刀具材料：H13A;vc=100m/min；f=0.25mm/r；

ap=1.5mm

图6　车削不锈钢304时刀具前角α0和使用寿命T关系曲线

(3)车刀主偏角κr及刀尖圆弧半径rε的选择

由于机床技术的发展，现代数控加工中心主轴刚性几乎能满足加工条件的需求，因此，车削不锈钢时可选用主偏角较小的刀片，推荐取值为：κr=45°～75°；刀尖圆弧半径rε可根据加工工序进行选择，图7为刀尖圆弧半径rε与相对表面磨损量NBR和加工表面粗糙度Ra的关系曲线。

A-Ra；B-NBR;工件材料：2Cr13；刀具材料：H13A;vc=180m/min；

f=0.04mm/r；ap=0.1mm

图7车削不锈钢2Cr13时刀尖圆弧半径rε与NBR、Ra间关系曲线

(4)车刀刃倾角λs的选择

车刀刃倾角λs对切屑的卷曲方向和形状有很大的影响(如图8所示)。当刃倾角λs为正值时，切屑卷曲后流向工件待加工表面；当刃倾角λs为负值时，切屑卷曲后流向工件已加工表面；而当刃倾角λs为零时，切屑卷曲方向与切削刃垂直。文献[8]研究表明：常规车削不锈钢时，λs的推荐值为-3°～-7°；断续车削时，λs的推荐值为-5°～-15°。刃倾角λs为负值时刀尖强度高，刀具抗冲击性能好，能有效预防刀具崩刃。

图8　刃倾角λs对切屑卷曲的影响

2.3切削参数匹配性

与普通工件材料不同，不锈钢车削时，刀具使用寿命T(以相对表面磨损量NBR或轴向车削距离Lm为描述量)和切削参数间不再是单调的函数关系(如图9所示)[9-10]。所以，要获得高效车削不锈钢的最佳切削参数应当从刀具使用寿命T、加工质量和切削参数三方面综合考虑，针对性的选择最佳参数组合。实际生产过程中，切削参数的选择原则是：在保证刀具使用寿命最长的情况下，获得最高的生产效率。因此，首先选择较大的切削深度ap，在加工系统功率、刚性以及刀具强度满足加工要求的前提下，选择较大的进给量f，最后选择合适的切削速度vc(切削速度对刀具的磨损影响最大)。

(1)ap选择原则

粗车工序中，如果车削余量δ<5mm，那么可一次性切除；如果车削余量δ≥5mm，那么可分两次进行车削，第一次切除2/3～3/4的δ，接着切除剩余材料。半精车工序中，通常取切削深度ap=0.2～0.5mm，但必须保证ap取值大于加工硬化层。

(2)f选择原则

在加工系统功率、刚性以及刀具强度满足加工要求的前提下，粗车工序中f=0.6～1.2mm/r；半精车工序中f=0.4～0.6mm/r；精车工序中，f<0.4mm/r。

(3)vc选择原则

不锈钢车削过程中，无论有没有积屑瘤产生，都必须设法避免车削振动，从而保证加工精度。刀片切削刃不锋利、后刀面磨损量VB过大、切削深度ap和进给量f选择太小以及在硬化层中车削等方面的因素都会引起车削振动。相关研究资料表明：车削奥氏体不锈钢302时，在进给量f=0.4mm/r和切削速度vc=60～80m/min条件下车削振动最大[11]。表3为车削H13A硬质合金车削不锈钢304推荐切削用量。

A-f=0.25mm/r；B- f=0.15mm/r;C-f=0.14mm/r；D- f=0.10mm/r;VB=0.25mm；ap=0.4mm；γ0=λs=0°;α0=11°；κr=45°；rε=0.4mm

图9硬质合金H13A车削不锈钢447时切削速度vc、进给量f对刀具使用寿命的影响

2.4冷却方式匹配性

不锈钢车削应根据工件材质和加工工况，选择与之相匹配的冷却方式。如：粗车铁素体不锈钢可以选择用干式车削方式，也可和粗车其它材质不锈钢一样选用高性能的半合成乳化液(乳化液不适用于含铅的材料，比如一些黄铜和锡类金属)。精车不锈钢时可选用添加了CCl4的硫化油或者添加了C18H34O2或植物油的煤油。

不管选用何种冷却介质，为了提高刀具的使用寿命，必须保证机床冷却液供给系统压力满足工况要求，以保证工件-刀具-切屑间能与冷却介质充分接触，从而达到理想的冷却效果。

3　不锈钢切削专用刀片

针对不锈钢切削加工过程中出现的问题，不少先进刀具公司有针对性地开发了专用硬质合金可转位刀片。如：厦门金鹭特种合金有限公司开发的不锈钢精车加工用的SF槽型系列和肯纳金属公司推出的Beyond半精加工、粗加工MR槽型系列可转位刀片(如图10所示)。

表3　H13A硬质合金车刀车削不锈钢304时推荐切削参数

图10　不锈钢切削专用硬质合金可转位刀片

从图10a刀片切削区域放大图可以看出，切削刃为无刃宽结合刃倾角设计，锋利性强，不仅具备优良的毛刺抑制性能，而且具有切削阻力小，切削轻快，切削温度低等特点；在切削刃中部设计有加强筋，能有效提高其强度，预防不锈钢切入与切出瞬间由冲击载荷所引起的崩刃问题的产生；水滴形凸台与切削刃在刀尖附近形成三维断屑槽型，使得在小切削量的情况下，均能发挥优异的断屑性能。

图10b中的刀片设计特色在于断屑槽分割凸台采用连续曲面布置设计，因此可以有效分解切削过程中应力的过度集中；断屑槽分割凸台的曲面临近切削刃的地方半径较大，并在切削刃法向沿刀片几何中心逐渐变小，从而构成切屑入口，从断屑槽底部开始，小曲面半径又逐渐增大，构成切屑反屑面。这种几何结构不仅能起到良好的断屑效果，而且能有效降低刀-屑间的摩擦，从而减少切削热的产生，进一步提升刀具使用寿命。

实践表明，工件的技术条件和切削条件，对其可切削性的影响很大，因此，研究工件材料的可切削性能，掌握其切削的规律性，从而选择与之相匹配的切削刀具是当前切削加工技术中的重要课题。

4　结论

通过对不锈钢的加工特性进行分析，获得如下结论：

(1)不锈钢材质中含有多种和硬质合金刀具亲和性强的同族元素，使得刀具在切削过程中容易产生刀-屑粘结和元素扩散磨损等现象，从而缩短硬质合金刀具的使用寿命；

(2)实现不锈钢的高效切削应当从刀具-工件材质匹配性、刀具结构-切削工况匹配性、切削参数匹配性以及冷却方式匹配性等方面进行综合考虑，有针对性的选择适合特定牌号不锈钢的切削条件；

(3)针对类似不锈钢这种粘性大的难加工金属材料的切削，其应用刀具应当在保证足够强度的基础上最大限度的增大前角，从而提高刀具切削刃的锋利性进而减少切削变形，结合优异的断屑槽结构，能有效促进切屑的流出与折断，最终实现高效切削和优异刀具使用寿命双重目标。

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(编辑李秀敏)

Study on the High Efficiency Turning Technology of Difficult-to-Machine Material Stainless Steel and Its Cutter

HE Geng-huang1,2，ZHANG Shou-quan1，ZOU Ling-li1

(1.Xiamen Golden Egret Special Alloy Co., Ltd.，Xiamen Fujian 361006, China；2. The Key Lab of National and Local United Engineering for High-Efficiency Cutting & Tools,Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China)

The stainless steel is short for the acid-proof steel, which is widely used in areas such as aerospace, transportation, petrochemical and nuclear industry and so on as its excellent anti-corrosion performance of air, steam, water and acid. The problems about the sticking failure between cutter and chip and the element diffusion are easily produced during the cutting process, owning to the existence of the iron family elements in the stainless steel such as Cr, Ni, Ti and Mn and so on, which belong to the same group elements with the Co element contained in the cemented carbide inserts. Therefore, the stainless steel is a typical difficult-to-machine material. Firstly, the material of stainless steel was elaborated in this paper. Secondly, the essential reason for cutting stainless steel difficultly was found out by analyzing the characteristics of its being cutting. Then, the design principle of the insert for cutting stainless steel was put forward through researching the respects of cutter and work-piece matching, insert structure and cutting condition matching and cutting parameter matching and so on. Finally, the design method of the special tool for turning stainless steel was proposed. The research data will provide the

for efficient cutting difficult-to-machine material.

stainless steel; high efficiency turning; cutter design; cutting parameter; chip breaker

1001-2265(2015)11-0025-05DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.11.008

2015-05-22

国家科技重大专项：航空发动机机匣加工国产化成套刀具产品开发及应用(2014ZX04012012)

何耿煌(1984—)，男，福建漳州人，厦门金鹭特种合金有限公司工程师，博士、博士后，研究方向为高效切削理论及先进刀具技术，(E-mail) he.genghuang@CXTC.com。

TH142;TG501

A