小型不銹鋼精密零件的數控銑削方法

錢 偉 薛 鵬

（中國工程物理研究院電子工程研究所，綿陽 621900）

小型不銹鋼精密零件的數控銑削方法

錢 偉 薛 鵬

（中國工程物理研究院電子工程研究所，綿陽 621900）

奧氏體不銹鋼零件材料的切削加工性較差，尤其是小型精密零件的加工一直以來都是機械加工技術的難點。數控加工技術的發展為解決不銹鋼精密零件加工精度一致性差、效率低的問題提供了有效的途徑。根據該類零件多年的加工經驗，結合數控加工的優勢，從分析零件材料性能特點著手，從加工路線、刀具選擇、工藝方案等方面提出了綜合解決方案，并通過生產實例驗證了該類零件數控銑削加工方案的有效性。

不銹鋼，精密零件，數控銑削

奧氏體不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）精密零件具有機械性能和尺寸穩定性好、耐腐蝕、使用壽命長等優點，已廣泛應用于醫療、儀器儀表等精密機械領域。但奧氏體不銹鋼材料的強度高、塑性大，切削加工性能差，屬難加工材料，加工過程中存在著切削力大、加工振動明顯、刀具耐用度低、加工尺寸一致性差、生產效率較低等問題。

近年來，隨著數控設備的引進和先進刀具的采用，先進數控設備承擔了大量不銹鋼零件的加工任務，為解決上述問題，更好地發揮數控加工生產效率高和精度高的優勢，本文以某小型精密零件為實例，從材料性能及零件加工難點、加工方法改進、刀具及切削用量的選擇等方面對不銹鋼材料零件的加工進行了探索，以期達到提高該類零件數控加工質量穩定性、提升產品生產效率的目的。

1 材料性能及零件加工難點分析

圖1所示的零件為典型的不銹鋼精密零件，結構較為復雜，包含多個孔、臺階、凹槽等要素，且呈不對稱結構；零件部分尺寸精度達IT8級，各安裝定位面表面粗糙度達Ra1.6。在上述技術要求條件下，需要使用鉆頭、銑刀、鏜刀等10余把刀具、劃分近20個加工工步才能完成零件加工，任何刀具或工步出現問題，均可能會造成產品質量問題。

奧氏體不銹鋼綜合性能較好，但其強度高，塑性大、加工硬化現象明顯，在銑削加工時存在以下難點：一是，由于奧氏體不銹鋼強度高、塑性大，材料不易被切離，造成切削力大，比中碳鋼（45#）切削力大25%；二是，奧氏體不銹鋼的導熱系數僅為中碳鋼的1/3，銑削溫度高，使得銑削加工條件惡化；三是，由于材料加工硬化趨勢嚴重，再加上銑削是斷續切削，沖擊、振動大，使得銑刀容易磨損和崩刃，在使用小直徑立銑刀時，易出現“打刀”（折斷）現象。此外，不銹鋼材料在銑削加工過程中會引起刀具耐用度下降，造成零件尺寸控制不準、表面粗糙度達不到要求。

綜上所述，在零件結構復雜、加工工步多、材料加工難度大的情況下，應采取切實有效的措施，以保證加工過程質量穩定，提高產品合格率。

2 數控銑削加工應采取的措施

針對奧氏體不銹鋼材料的加工特點，通過對近年來數控加工實踐經驗的不斷總結，可從加工路線的改進、刀具的正確選用、切削用量的合理選擇、冷卻潤滑液及其施加方式的改進等方面采取措施。

2.1 加工方法的改進

2.1.1 采用順銑加工路線

由于不銹鋼材料的塑性變形大、切削溫度高、加工硬化現象嚴重，采用逆銑加工路線時，會進一步增加加工硬化效應，而且刀齒需從已加工表面的加工硬化層滑行一段距離才能切入工件，刀刃也會由于這種滑行摩擦而易于磨損。此外，在加工如圖1所示零件的內拐角處時，逆銑還會進一步增大切削力，使刀具產生“深啃”現象，造成尺寸控制不準，而且易使小直徑刀具折斷。

若在加工中采用順銑的加工路線，可以使切屑粘結接觸面減小，切屑在脫離工件時對刀刃的壓力減小，容易甩出，從而減小切削力，使切削過程更平穩，減弱已加工表面的硬化現象；刀具切入工件的待加工表面而不在硬化層中擠刮，可提高刀具耐用度，獲得較小的表面粗糙度。

在數控加工中，機床主軸、進給機構的反向間隙微小，機床剛度能夠滿足不銹鋼材料的加工要求，不會產生順銑帶來的“竄動”，降低了刀具折斷風險，因此，在保證夾具剛度和工件可靠安裝的前提下，可以采用順銑的加工方法。

2.1.2 遵循粗、精加工分開的原則

粗、精加工分開是指銑削不銹鋼零件時，在工件的一次裝夾中采用粗、精兩套刀具分別完成粗、精加工。其優點是：可以根據粗、精加工的特點選用性能不同的刀具（如刀具精度、幾何參數、材質等）；精加工刀具僅參與零件的精加工，有利于保證工件的尺寸精度和獲得良好的表面質量。

粗銑后留下的精加工余量要確保均勻且略大于材料的加工硬化層，以減少精加工刀具負荷和形狀誤差復映現象，延長刀具壽命，提高加工精度的穩定性。

2.2 刀具的正確選用

2.2.1 刀具材料的選擇

目前，適用于不銹鋼加工的刀具材料有高速鋼和硬質合金兩種。高速鋼銑刀易于制造、成本低、刃磨鋒利、韌性好但耐磨性差；硬質合金銑刀制造工藝復雜、成本相對較高，在高速切削（≥40m/min）條件下具有較好的耐磨性，有利于穩定零件的尺寸精度。

考慮到數控加工的特點和生產經濟性，可確定如下原則：粗加工時使用高性能高速鋼銑刀（如含V、Mo、Al的高速鋼），因為高性能高速鋼銑刀的刀刃較為鋒利，而粗加工時的對刀精度要求低，對刀容易，輔助時間短，生產成本低；精加工時，使用高精度涂層硬質合金立銑刀（如TiAlCrN、TiAlN涂層），可以高速切削且零件加工精度保持連續穩定，一般情況下可完成數十甚至數百件產品的精加工。

2.2.2 刀具幾何參數的選擇

在現有庫存中選擇刀具主要需考慮刀齒個數、前角（法向前角γo）和刀刃螺旋升角（β）等幾何參數。

在粗加工中，不銹鋼的切屑不易卷曲，應選擇刀齒個數少、容屑槽大的刀具，使得排屑順利，減小切削阻力。以立銑刀為例，一般選擇三齒立銑刀。在精加工時，為增加切削平穩性、提高表面質量和加工效率，可選擇4齒～6齒硬質合金銑刀。

銑刀前角增加可以減小切削力，使得切削輕快，排屑順利，有利于不銹鋼的加工，但前角過大，會減弱刀具刃口的強度和耐磨性，一般應選擇法向前角為10°～20°的立銑刀（高速鋼刀具前角比硬質合金刀具前角略大）。

螺旋升角β與刀具實際作用前角存在著密切關系：當刀具前角為5°時，若β從20°增加到40°，實際作用前角可從11°增加到27°，所以，在加工不銹鋼時，采用大螺旋升角銑刀可使切削力小、加工平穩、工件表面質量高，一般β取35°～45°。

2.3 切削用量的選擇

由于不銹鋼材料的切削性能差、切削溫度高、刀具壽命短，所以，銑削不銹鋼的切削用量應比加工普通碳鋼時要低。以直柄立銑刀為例，切削用量的一般選擇原則參見表1。

表1 立銑刀加工不銹鋼的切削用量選擇

2.4 充分的冷卻潤滑

充分的冷卻潤滑可顯著延長刀具壽命，提高工件表面質量。在實際生產中，可選擇不銹鋼專用切削油作為冷卻液，并配合機床主軸高壓中心出水功能（壓力大于2MPa），將切削油高壓噴至切削區，進行強制冷卻潤滑，以獲得良好的冷卻潤滑效果。

3 上述方法的實踐應用

如前所述，通過對圖1所示零件的數控銑削工序進行詳細的工藝分析和工序劃分，共需粗銑、鉆孔、精銑、鏜孔等20個工步，4種類型12把刀具才能完成該工序的加工。以零件上端6.50-0.03異形凸臺的加工為例，編寫了刀具、工藝清單，如表2所示，用以說明如何考慮和選擇加工方法，從而保證尺寸一致性和表面質量。

4 結束語

對不銹鋼材料數控銑削方法的分析和加工實踐表明：在多品種、小批量生產條件下，采取上述加工方法完成小型不銹鋼精密零件數控銑削，能夠有效減少輔助工作時間，提高精加工刀具的耐用度，保證產品銑削質量，工序零件交檢合格率達100%，生產效率得到了較大提高。

1 曾正明. 機械工程材料手冊: 金屬材料[M]. 北京: 機械工業出版社, 2010

2 楊建明. 數控加工工藝與編程[M]. 北京理工大學出版社, 2014

3 徐宏海. 數控機床刀具及其應用[M]. 北京: 化學工業出版社, 2010

表2 XX零件數控銑削刀具、工藝清單

1009-8119（2017）07（1）-0059-03