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【兆恒機(jī)械】高錳鋼的切削加工

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  • 添加日期:2021年03月25日

摘要:在工程機(jī)械中,凡承受較大沖擊或壓力的耐磨零部件,廣泛采用高錳鋼制造。由于它的性能和切削特點,屬于難切削材料之一。但只要合理選擇切削條件和掌握應(yīng)注意的問題,就能順利完成對它的切削加工。

錳含量為11%~18%的鋼稱為高錳鋼。常用的鑄造高錳鋼ZMn13的化學(xué)成分為:Mn含量為11%~14%,C含量為1%~1.4%,Si含量為0.3%~1%,P含量小于0.03%,S含量小于0.05%。

高錳鋼是一種耐磨鋼,經(jīng)過水韌處理的高錳鋼可以得到較好的塑性和沖擊韌性。所謂水韌處理,就是把鋼加熱到1000~1100℃,保溫一段時間,使鋼中的碳化物全部融入到奧氏體中,然后迅速冷卻,使碳化物來不及從奧氏體中析出,從而保持單一均勻的奧氏體組織。經(jīng)過水韌處理的高錳鋼,稱為高錳奧氏體鋼。其力學(xué)性能:σb=980MPa,σs=392MPa,硬度210HBW,δ=80%,ak=2.94MJ/m2。

高錳鋼雖然硬度只有210HBW,但它的屈服點σs較低,只有σb的40%,因而具有較高的塑性和韌性。

高錳鋼分為高碳高錳耐磨鋼、中碳高錳無磁鋼、低碳高錳不銹鋼和高錳耐熱鋼。牌號及性能如附表所示。

1. 高錳鋼的切削加工特點

(1)加工硬化特別嚴(yán)重。高錳鋼在切削過程中,由于塑性變形大,奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)晶粒的馬氏體組織,從而產(chǎn)生嚴(yán)重的硬化現(xiàn)象,硬度可從210HBW提高到500HBW以上,比基體的硬度提高2.5倍左右,硬化層深度可達(dá)0.1~0.3mm。這不僅使切削力和切削熱增大,也加劇了刀具的磨損,給下一次的切削加工帶來了困難。它的硬化程度和深度,是切削45鋼的好幾倍。

(2)切削力大。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)得知,切削ZGMn13時的單位切削力3 800MPa/mm2比切削45鋼的單位切削力2 300MPa/mm2增大60%左右。

(3)切削溫度高。由于切削高錳鋼的切削力和切削功率大,產(chǎn)生的熱量就多。加之它的熱導(dǎo)率又小,僅為45鋼熱導(dǎo)率的1/4左右,所以切削區(qū)的溫度很高。當(dāng)切削溫度vc≤50m/min時,高錳鋼的切削溫度比切削45鋼的切削溫度高200~250℃。

(4)斷屑困難。高錳鋼的韌性是45鋼的8倍,伸長率也很大,造成變形系數(shù)和切削力大。在切削加工時,切屑不易折斷,給切屑處理帶來很大困難。

(5)加工精度不易保證。由于高錳鋼的線膨脹系數(shù)大,約為20×10-6(1/℃)。在切削熱的作用下,易產(chǎn)生熱變形,而影響工件的加工精度。

2. 切削加工高錳鋼切削條件的選擇

(1)切削高錳鋼的刀具材料。硬質(zhì)合金。應(yīng)首先選用添加TaC或NbC的超細(xì)晶粒YG類硬質(zhì)合金和涂層硬質(zhì)合金,如YS2、YS8、YG813、YG643、YW2等。涂層硬質(zhì)合金,應(yīng)首先選用TiAlN和TiAlSi涂層。

陶瓷。主要用于車削和平面銑削,牌號有AG2、AT6、T8、SG4、LT35、LT55等。

幾種高錳鋼的牌號與性能

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/[W·(m·K)]-1ZGMn13 210HBW 980 50~80 2.9~4.9 13 70Mn15Cr2Al3WMoV2 48~50HRC 1 470 4.5 0.14 14 1Cr14Mn14Ni 286HBW 910 70 6.86 20 6Mn18Al5Si2Ti 266HBW 850 53 5.19 10牌號硬度σb/MPa σsakκ /MPa /(MJ·m2-1

高速鋼。應(yīng)選硬度高、耐磨性好、耐熱性好的高性能高速鋼,如W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5Cr4V2Al、W12Mo3Cr4VCo8Si、W12Mo3Cr4V3N等。

(2)切削高錳鋼刀具的幾何參數(shù)。

前角和后角。高速鋼刀具,γ0=5°~10°,α0=8°~10°;硬質(zhì)合金刀具,γ0=3°~-3°,α0=8°~12°;陶瓷刀具,γ0=-5°~-8°,α0=5°~8°。

主偏角和副偏角。為了改善散熱條件和提高刀尖強(qiáng)度,κr=30°~45°,κr'=8°~15°;陶瓷刀具,κr=45°~60°,κr'=8°~15°;精加工時,κr=60°~90°。

刃傾角。為了增大刀尖強(qiáng)度和刀具工作前角,在粗加工時,λs=-5°~-10°。在精加工時,為了使切屑流向待加工表面,λs=0°~3°。

刀尖圓弧半徑。粗加工時,rε=1.2~1.6mm;精加工時,rε=0.4~0.8mm。

刀具刃口負(fù)倒棱。為了提高刀具刃口強(qiáng)度,減小刀具刃口崩損,一般bγ=0.2~0.8mm,γ01=-5°~-15°。

(3)切削高錳鋼的切削用量。由于高錳鋼的性能和切削特點,它的切削加工性比較差。為了保證刀具有一定的壽命,切削速度不宜高,只有切削45鋼nc的20%~40%。用硬質(zhì)合金刀具切削時,vc=20~40m/min;用高速鋼刀具切削時,vc≈6m/min;用陶瓷刀具切削時,vc=50~72 m/min。由于它的加工硬化特別嚴(yán)重,為了避免在硬化層上切削,切削深度ap和進(jìn)給量f不應(yīng)小于硬化層深度,一般ap=0.3~5mm,f >0.15mm/r。

(4)切削高錳鋼的切削液。由于高錳鋼的熱導(dǎo)率低和切削溫度高,為了降低切削溫度和提高刀具壽命,不管采用什么切削方法切削加工時,都應(yīng)采用冷卻潤滑液。

(5)切削高錳鋼應(yīng)注意的問題。鉆削高錳鋼時,最好采用硬質(zhì)合金鉆頭,如鑲硬質(zhì)合金刀片或焊硬質(zhì)合金頭的鉆頭,如圖1和圖2所示(圖2中2?=120°,2?'=130°,2?1=70°,φ=75°,τ=30°,αR=15°,α0=20°,γτ=-25°,γf=-15°,h=0.08d0,L=0.3d0,L1=L2,R=0.4d0,b=0.08d0。其中,d0為鉆頭直徑)。也可采用可轉(zhuǎn)位刀片的淺孔鉆頭。若用高速鋼鉆頭,應(yīng)磨成三尖七刃的群鉆型,以利于改善散熱條件和減小切削力。在鉆孔時,應(yīng)采用低速大進(jìn)給,并不要在切削表面停留,以免加劇切削表面硬化,給下一次鉆頭鉆入帶來了困難。如發(fā)生此問題,應(yīng)先降低速度,再快速大進(jìn)給鉆入。不管用何種鉆頭,都必須使用充足的切削液。

為了保持刀具鋒利和減小加工硬化,要嚴(yán)格控制刀具的磨損限度(也稱磨鈍標(biāo)準(zhǔn)),應(yīng)為切削一般工件材料的1/2。如發(fā)現(xiàn)刀具鈍了,應(yīng)及時更換刀片或修磨刀具,切記不可等刀具磨損嚴(yán)重了再換再磨,這樣就會產(chǎn)生許多不良而嚴(yán)重的問題。

在鉸孔時,為了防止積屑瘤的產(chǎn)生和破壞已加工面的表面粗糙度質(zhì)量,vc應(yīng)小于5m/min,并用積壓切削油或MoS2油膏。如攻螺紋最好采用螺旋槽絲錐,以利于排屑和減小攻螺紋轉(zhuǎn)矩,并用潤滑性能好的切削劑。

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圖1 鉆削高錳鋼的鉆頭

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圖2 鉆削高錳鋼的群鉆

3. 結(jié)語

由于高錳鋼的性能和切削特點,它的切削加工性很差,但只要合理選擇刀具材料、刀具幾何參數(shù)、切削用量、切削液和掌握操作技術(shù),就一定能完成對它的切削加工。

參考文獻(xiàn):

[1] 韓榮第,于啟勛. 難加工材料切削加工[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996.

[2] 鄭文虎.刀具材料和難切(磨)削材料加工技術(shù)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2016.