Cr18Ni9不銹鋼高速車削時主要切削特點及切屑形成過程分析

楊曉勇

摘要：Cr18Ni9是一種奧氏體型不銹鋼，其硬度不是很高，但塑性很好，一般傳統切削靠降低切削速度來保證切削質量，但加工效率普遍較低。本文利用高速車削不銹鋼的實驗，分析其主要的切削特點和切屑的形成過程，為優化高速車削工藝參數作參考。

關鍵詞：不銹鋼；高速車削；切削特點；切屑

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）07-0211-02

常用不銹鋼按金相組織分有鐵素體型、馬氏體型、奧氏體3種型。鐵素體型、馬氏體型不銹鋼硬度不高，綜合機械性能接近普通碳鋼，切削加工難度不大。而Cr18Ni9這類鋼主要成分是：含碳量小于0.15%，鉻含量在17%—19%，鎳含量在8%—10%之間。由于含碳量很低，Cr18Ni9硬度不高，塑性極好，型鋼主要是用軋制的方法生產，組織大多為奧氏體組織，切削加工性比較差，日常加工效率普遍比較低。傳統切削加工Cr18Ni9，為保證質量通常把機床主軸轉速設計的比較低，一般會低于400r/min。由于機床轉速比較低，切削的效率自然比較低，為提高Cr18Ni9的加工效率，有必要設計一套高轉速條件下的工藝參數，為分析優化工藝參數，參考《金屬切削手冊》設計了本次實驗。本次實驗采取切削加工里的典型加工方法—車削，本次高速車削的實驗條件設定為：工件試樣為Φ40mm×100mm的Cr18Ni9棒料，刀具材料為高速工具鋼，刀具前角γ=12度，后角α=8度，主偏角Kr=45度，副偏角Kr'=5度，刀尖圓弧半徑R=0.2mm，刃傾角λs=-5度。機床轉速n=1800r/min（是普通車削不銹鋼的4倍），背吃刀量ap（切削深度）=0.6mm，進給量f=0.12mm/r。采用5%濃度的乳化液作冷卻液。對比實驗條件為低轉速普通車削機床轉速n=320r/min，其他參數相同。

一、Cr18Ni9不銹鋼高速車削時主要切削特點分析

將Cr18Ni9工件試樣在兩種不同轉速條件下進行車削實驗，通過觀察和測量試樣在不同切削速度條件的狀態，分析其主要切削特點如下：

1.切削后表面硬度有大幅度增加，加工硬化嚴重。高速車削后，測定工件試樣表面的硬度，對比原料硬度大約升高了6個洛氏硬度單位；對比普通車削，測定工件試樣表面的硬度，對比原料硬度大約升高了不到1個洛氏硬度單位，兩者之間相差了5個洛氏硬度單位。這一現象說明，高速車削時，工件試樣表面塑性變形嚴重，表面產生了較嚴重的加工硬化，同時由于該種材料中的奧氏體金相組織穩定性比較差，在切削力的擠壓和高溫雙重作用下，部分奧氏體可能會轉變為馬氏體，使得硬度進一步升高，使加工硬化更加嚴重。從這一現象分析，如要提高Cr18Ni9加工效率，必須克服高速切削下的加工硬化，可考慮使用硬度高的刀具材料和刃磨鋒利的刀刃。

2.刀具磨損明顯快于普通車削。觀察Crl8Ni9高速車削和普通車削，高速車削過程中的刀具磨損明顯快于普通車削，高速車削后的刀具表面有明顯粗糙，出現了粘刀現象，說明高速車削中形成了積屑瘤，粘附在了刀具上，從而使刀具磨損加劇，降低了刀具壽命。而普通車削這一現象不明顯。從這一現象分析，如要提高Cr18Ni9加工效率，同時也要降低成本，刀具壽命是一個必須關注的問題，可考慮刃磨時提高刀面的精度，加大冷卻液的用量。

3.高速車削時局部有高溫，加大切削液量后明顯改善。在高速車削的過程中，溫度升高比較快，采用與普通車削一致的切削液用量時，刀尖部分明顯發熱，有“冒煙”的現象產生，加大切削液的用量后明顯好轉。說明在高速切削的過程中，有高溫生成，同時高溫也是影響加工硬化、刀具壽命以及積屑瘤產生的重要因素。因此高速車削時應采用冷卻能力好的冷卻液體，并加大用量。

二、Cr18Ni9不銹鋼高速車削切屑的形成過程分析

通過觀察Crl8Ni9高速車削和普通車削的切屑，兩者的外觀差異性比較大，普通車削的切屑呈帶狀，有少量卷曲，且邊口平整光滑，而高速車削的切屑呈帶狀，卷曲比較嚴重，且邊口出現了較嚴重的毛刺。兩者從外觀顏色上判斷，高速車削的切屑顏色明顯比較深，有少量呈現出藍色。

1.Crl8Ni9高速車削切屑的形成過程分析。通過以上切屑的對比，試著分析Crl8Ni9高速車削切屑的形成，以便為優化工藝參數作參考。一般來說在高速車削的過程中，切屑是材料受到刀具的前刀面的推擠，沿著某一滑移面剪切滑移形成的。在這個過程中材料表層金屬要產生一系列的塑性變形，變形區域通常可分為基本變形區、前刀面摩擦變形區、后刀面摩擦變形區和刃前變形區。基本變形區和前刀面摩擦變形區是消耗機床動力的主要部分，而后刀面摩擦變形區和刃前變形區對加工表面的形成起著重要作用。如果切削刃鋒利，則刃前變形區很小；如刀具后角大，則后刀面摩擦變形區也比較小。基本變形區是主要的變形區。如切削速度高，則基本變形區將變得很窄，幾乎成為一個面（如圖1所示的一條線），稱為剪切面。剪切面的方向與切削速度的方面之間的夾角是剪切角Φ。

從圖1可以看出，剪切角Φ越小，車削表層的金屬越薄，切削力將越小，所以高速車削時應適當的減小前角。在車削的過程中切屑在前刀面上剪切滑移，其底層受到擠壓作用，晶粒被拉長，造成切屑底部膨脹，使切屑彎曲變形，引起切屑卷曲，車削速度越快，卷曲越嚴重，因此高速切削Crl8Ni9時，斷屑是需要解決的主要問題之一，為有利于斷屑，可提高刀具的鋒利度和在刀具適當的地方開斷屑槽。

Crl8Ni9不銹鋼高速車削時，切屑表面出現了表面鱗刺，這和已加工表面中的晶粒被拉長或破碎，金屬材料組織出現織構現象有關。高速車削時由于切屑變形比較大，織構現象越嚴重，表面鱗刺也嚴重。為有效地提高表面質量，就必須減小切屑變形的切削條件，可考慮將切削厚度減小、刀具刃磨的刀面光滑度提高和采用冷卻潤滑性能好的切削液。在Crl8Ni9不銹鋼高速車削時，經常聽見材料表面有異響。根據金屬學原理可知，點陣過渡到新的位置幾乎是瞬時完成的，因此發出的聲響并不是單純的平直音，這為確定高速車削過程是否正常提供了一個判別條件。

2.Crl8Ni9高速車削時，粘刀現象的出現原因分析。Crl8Ni9不銹鋼高速車削過程中，出現了粘刀現象，這是由于工件材料表面切屑對刀具的前面產生了摩擦，并且生成了大量的切削熱。在這種高溫高壓下，與刀具前面接觸的部分切屑，在摩擦力的影響下，流動速度相對會滯后，形成“滯留層”，從而使部分材料粘附在刀具刀尖的前面上，形成積屑瘤。積屑瘤由于加工硬化的原因，其硬度比原材料的硬度要高，會代替刀刃進行切削，使得實際前角變大，切削的厚度增加，從而使刀具壽命下降。又因為積屑瘤的表面粗糙度較差，使得工件的表面質量和尺寸精度難以準確控制，加工誤差大，產品質量不穩定。

在不銹鋼的高速車削過程的實驗中，在冷卻潤滑不良的切削條件下出現了積屑瘤現象，而在冷卻潤滑液作用良好的切削條件下進行的試驗，沒有積屑瘤的產生，說明在不銹鋼的高速削過程中加大冷卻液的量能有效防止積屑瘤的產生。

三、結語

在Crl8Ni9不銹鋼的高速車削過程的實驗中，切削特點明顯，表面加工硬化嚴重，刀具磨損速度快，高速車削時刀尖溫度高，切削潤滑不良易產生積屑瘤。高速車削時得到有表面鱗刺的連續狀切屑，斷屑較為困難。因此在高速車削工藝參數的優化上，應考慮選取較小刀具前角和較小切削厚度、提高刀具刀面的表面質量、刀刃的鋒利程度，合理的斷屑槽，使用冷卻潤滑性能好的切削液等能有效地提高加工效率和質量。

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Abstract：Cr18Ni9 is an Austenitic stainless steel，whose hardness is not very high，but the plasticity is very good. The traditional cutting ensures the quality of cutting by reducing the cutting speed，but the processing efficiency is generally low.In this paper，the experiment of high-speeding turning of stainless steels is used to analyze its main cutting characteristics and chip formation process，which is a reference for optimizing the process parameters of high-speeding turning.

Key words：stainless steel；high-speeding turning；cutting characteristics；chip