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        不銹鋼的切削加工特點

        發布時間:2019-06-26

          不銹鋼的切削加工

          隨著航空、航天、石油、化工、冶金和食品等工業的蓬勃發展,不銹鋼材料已得到廣泛應用,而不銹鋼材料由于韌性大、熱強度高、導熱系數低、切削時塑性變形大、加工硬化嚴重、切削熱多、散熱困難等原因,造成刀尖處切削溫度高、切屑粘附刃口嚴重、容易產生積屑瘤,既加劇了刀具的磨損,又影響加工表面粗糙度。此外,由于切屑不易卷曲和折斷,也會損傷已加工表面,影響工件的質量。為提高加工效率和工件質量,正確選擇刀具材料、車刀幾何參數和切削用量至關重要。

          一、刀具材料的選擇

          正確選用刀具材料是保證加工不銹鋼的決定因素。根據不銹鋼的切削特點,刀具材料應具備足夠的強度、韌性、高硬度和高耐磨性且與不銹鋼的粘附性要小。

          常用的刀具材料有硬質合金和高速鋼兩大類,形狀復雜的刀具主要采用高速鋼材料。由于高速鋼切削不銹鋼時的切削速度不能太高,因此影響生產效率的提高。對于較簡單的車刀類刀具,刀具材料應選用強度高、導熱性好的硬質合金,因其硬度、耐磨性等性能優于高速鋼。常用的硬質合金材料有:鎢鈷類(YG3、YG6、 YG8、YG3X、YG6X),鎢鈷鈦類(YT30、YT15、YT14、YT5),通用類(YW1、YW2)。YG類硬質合金的韌性和導熱性較好,不易與切屑粘結,因此適用于不銹鋼粗車加工;而YW類硬質合金的硬度、耐磨性、耐熱性以及韌性都較好,適合于不銹鋼的精車加工。加工 1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼時,不宜選用YT類硬質合金,由于不銹鋼中的Ti和YT類硬質合金中的Ti產生親合作用,切屑容易把合金中的Ti帶走,促使刀具磨損加劇。

          二、刀具幾何角度的選擇

          刀具切削部分的幾何角度,對于不銹鋼切削加工的生產率、刀具耐用度、被加工表面粗糙度、切削力以及加工硬化等方面都有很大的影響,合理選擇和改進刀具幾何參數是保證加工質量、降低成本的有效途徑。

          1. 車刀前角γ0的選擇

          前角的大小決定刀刃的鋒利與強度。增大前角可以減小切屑的變形,從而減小切削力和切削功率,降低切削溫度,提高刀具耐用度。但是增大前角會使楔角減小,降低刀刃強度,造成崩刃,使刀具耐用度下降。車削不銹鋼時,在不降低刀具強度的條件下,應把前角適當取大一些。在刀具前角大時其塑性變形小,切削力和切削熱降低,減輕加工硬化趨勢,提高刀具耐用度,一般刀具前角宜取12°~20°。

          2. 車刀后角α0的選擇

          在切削過程中,后角可以減小后刀面與切削表面的摩擦。若后角過大,則楔角減小,使散熱條件惡化,刀具刃口強度下降,降低刀具耐用度;若后角過小,摩擦嚴重,則會使刃口變鈍,增大切削力,增高切削溫度,加劇刀具磨損。在一般情況下,后角變化不大,但有一個合理的數值,以利于提高刀具的耐用度。車削不銹鋼時,由于不銹鋼的彈性和塑性都比普通碳素鋼大,所以刀具后角過小會使切斷表面與車刀后角的接觸面積增大,摩擦產生的高溫區集中于車刀后角,加快車刀磨損,降低被加工表面光潔度,所以車削不銹鋼時的車刀后角要比車削普通碳鋼時稍大一些,但后角過大又會降低刀刃強度,直接影響車刀的耐用度,因此,一般情況下車刀后角宜取6°~10°。

          3. 車刀主偏角Kr的選擇

          當切削深度ap 和進給量f不變時,減小主偏角Kr可使散熱條件得到改善,減少刀具損壞,使刀具切入、切出平穩。但主偏角減小又會使徑向力增大,在切削時容易引起振動。車削不銹鋼的硬化傾向性強,易產生振動,振動又會使加工硬化嚴重。因此,主偏角一般宜取45°~90°。具體角度應根據機床、零件、刀具系統的剛性和切削用量來選擇。

          4. 車刀刃傾角λs的選擇

          刃傾角可控制切屑流向,當刃傾角λs為負值時,切屑流向已加工表面;當刃傾角λs為正值時,切屑流向待加工表面。為了使切屑不劃傷已加工表面,在精加工時,刃傾角λs值為正值。當λs為正值時,刀尖強度低并首先接觸工件,易損壞;當λs為負值時,刀尖強度高,耐沖擊,可避免崩壞刀尖,切入、切出平穩,車削不銹鋼時,一般刀具刃傾角宜取0°~20°。

          三、切削用量的選擇

          切削用量的大小對生產效率和加工質量有很大影響,因此在確定了刀具的幾何參數以后,還要選定合理的切削用量。在選擇切削用量時,應注意考慮以下因素:一是要根據不銹鋼及各類毛坯的硬度等來選擇切削用量;二是要根據刀具材料、焊接質量和車刀的刃磨條件來選擇切削用量;三是要根據零件直徑、加工余量和車床精度等來選擇切削用量。同時為了抑制積屑瘤和鱗刺的產生,提高表面質量,在采用硬質合金刀具進行加工時,切削用量應比車削一般碳鋼類工件稍低些,特別是切削速度不宜過高(vc=50~80m/min);切削深度ap不宜過小,以避免切削刃和刀尖劃過硬化層,ap=0.4~4mm;因此進給量f對刀具耐用度影響不如切削速度大,但會影響斷屑和排屑,拉傷、擦傷工件表面,影響加工的表面質量,進給量一般取f=0.1~0.5mm/r。

          不銹鋼尤其是奧氏體型不銹鋼的塑性較好,在切削加工時,產生的切屑難以折斷,加大了切屑與刀具前刀面之間的摩擦力,增大了切削力。同時,因加工硬化會增大被切削材料的硬度和強度,也導致切削力增大。為此,在合理選擇刀具材料、刀具的幾何角度和切削用量的基礎上,對不銹鋼和45鋼做了切削力對比試驗。試驗結果表明,在相同切削用量的情況下,加工不銹鋼時切削力比加工45鋼時只增加了8.5%。

          合理選擇刀具材料、刀具幾何角度和切削用量,對于提高不銹鋼切削加工的生產效率和加工工件質量是能夠實現的。

          不銹鋼的切削特點

          不銹鋼的切削加工性比中碳鋼差得多。奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti的相對切削加工性為40%;鐵素體不銹鋼 1Cr28為48%;馬氏體不銹鋼2Cr13為55%。其中,以奧氏體和奧氏體+鐵素體不銹鋼的切削加工性差。不銹鋼在切削過程中有如下幾方面特點:

          (1)加工硬化嚴重:在不銹鋼中,以奧氏體和奧氏體+鐵素體不銹鋼的加工硬化現象為突出。如奧氏體不銹鋼硬化后的強度σb達1470~1960 MPa,退火狀態的奧氏體不銹鋼σs不超過的σb30%~45%,而加工硬化后達85%~95%。加工硬化層的深度可達切削深度的1/3或更大;硬化層的硬度比原來的提高1.4~2.2倍。因為不銹鋼的塑性大,塑性變形時品格歪扭,強化系數很大;且奧氏體不夠穩定,在切削應力的作用下,部分奧氏體會轉變為馬氏體;再加上化合物雜質在切削熱的作用下,易于分解呈彌散分布,使切削加工時產生硬化層。前一次進給或前一道工序所產生的加工硬化現象嚴重影響后續工序的順利進行。

          (2)切削力大:不銹鋼在切削過程中塑性變形大,尤其是奧氏體不銹鋼(其伸長率超過45號鋼的1.5倍以上),使切削力增加。同時,不銹鋼的加工硬化嚴重,熱強度高,進一步增大了切削抗力,切屑的卷曲折斷也比較困難。因此加工不銹鋼的切削力大,如車削1Cr18Ni9Ti的單位切削力為2450 MPa,比45號鋼高25%。

          (3)切削溫度高:切削時塑性變形及與刀具間的摩擦都很大,產生的切削熱多;加上不銹鋼的導熱系數約為45號鋼的1/2~1/4,大量切削熱都集中在切削區和刀-屑接觸的界面上,散熱條件差。在相同的條件下,1Cr18Ni9Ti的切削溫度比45號鋼高200℃左右。

          (4)切屑不易折斷、易粘結:不銹鋼的塑性、韌性都很大,車加工時切屑連綿不斷,不僅影響操作的順利進行,切屑還會擠傷已加工表面。在高溫、高壓下,不銹鋼與其他金屬的親和性強,易產生粘附現象,并形成積屑瘤,既加劇刀具磨損,又會出現撕扯現象而使已加工表面惡化。含碳量較低的馬氏體不銹鋼的這一特點更為明顯。

          (5)刀具易磨損:切削不銹鋼過程中的親和作用,使刀-屑間產生粘結、擴散,從而使刀具產生粘結磨損、擴散磨損,致使刀具前刀面產生月牙洼,切削刃還會形成微小的剝落和缺口;加上不銹鋼中的碳化物(如TiC)微粒硬度很高,切削時直接與刀具接觸、摩擦,擦傷刀具,還有加工硬化現象,均會使刀具磨損加劇。

          (6)線膨脹系數大:不銹鋼的線膨脹系數約為碳素鋼的1.5倍,在切削溫度作用下,工件容易產生熱變形,尺寸精度較難控制。

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