不锈钢的切削加工

不锈钢具有良好的耐蚀性能、耐热性能和低温强度及综合机械性能，广泛应用于食品设备、化工设备和原子能工业设备等方面。此类奥氏体不锈钢具有良好的耐晶间腐蚀性能，在许多氧化性酸(如HNO3)中都具有优良的耐蚀性能，在碱溶液、大部分有机酸和无机酸中以及大气、水和蒸汽中也具有较强的耐蚀性能。AISI 304奥氏体不锈钢的相对可切削性Kr约为0.4，是典型的难切削加工材料。

1 AISI 304不锈钢车削加工的特点

AISI 304奥氏体不锈钢的化学成分见表1。AISI304奥氏体不锈钢的切削加工性能较差，主要表现在切削力大、加工硬化严重、切削区局部温度高和刀具易产生粘附磨损等方面。

表1 AISI 304不锈钢的化学成分(wt%)

(1)切削力大

AISI 304奥氏体不锈钢的硬度不高(硬度≤187HBS)，由于其含大量的Cr、Ni、Mn等元素，塑性较好(断后伸长率δ5≥40％，断面收缩率ψ≥60％)。切削加工时塑性变形大，尤其在较高温度时仍可保持较高的强度(普通钢在切削温度升高时强度下降明显)，导致AISI304奥氏体不锈钢的切削力较大。常规切削条件下，AISI 304不锈钢的单位切削力达2450MPa，比45钢高25%以上。

(2)加工硬化严重

AISI 304不锈钢在切削加工时伴有较为明显的塑性变形，材料晶格会产生严重的歪扭；同时，由于奥氏体组织在稳定性方面的缺陷，一小部分奥氏体在此过程中变成了马氏体；此外，奥氏体中存在的杂质化合物会随着切削过程的进行因受热而分解，弥散分布的杂质在表面产生了硬化层，使加工硬化现象十分明显，硬化后的强度σb达1500MPa以上，硬化层深度0.1-0.3mm。

(3)切削区局部温度高

由于AISI304不锈钢所需切削力大，且切屑不易切离，使得分离切屑所消耗的功也较大。常规条件下切削AISI 304不锈钢比低碳钢高约50%，产生的切削热多。奥氏体不锈钢的导热性差，AISI304不锈钢的热导率为16.3-21.5W/m·K，仅为45钢热导率的三分之一，因而使得切削区域的温度较高(通常切削加工时切屑所带走的热量应占切削热量的70%以上)，大量切削热集中在切削区和“刀—屑”接触面上，传入刀具中的热量达20%(切削一般碳素钢时该数值仅为9%)，使得在同等切削条件下，AISI304不锈钢切削温度比45钢高约200-300℃。

(4)刀具易产生粘附磨损

由于奥氏体不锈钢的高温强度高，加工硬化倾向大，因此，切削负荷重，奥氏体不锈钢与刀具和切屑之间会因为切削过程中其与刀具之间的亲合趋势显著增强，从而不可避免地产生粘结、扩散等现象，并生成“切屑瘤”，造成刀具粘附磨损。特别是少部分碳化物所形成的硬质夹杂物，加速了刀具磨损，甚至造成崩刃，大大降低了刀具的使用寿命，也影响了加工零件的表面质量。

2 选择合理的车削加工工艺

由于AISI304奥氏体不锈钢的切削加工性较差，因此必须选择合理的车削加工工艺，包括合理选择车刀材料、刀具几何参数、切削用量及冷却液等，才能获得较高的生产效率和加工质量。

(1)刀具材料

正确选择刀具材料对于保证高效切削加工奥氏体不锈钢具有重要意义。根据AISI 304不锈钢难以车削加工的特点，分析可知：选用的刀具应该具有强度高、韧性强的特点，同时还要具有较好的耐磨与耐热性能，并确保与不锈钢的亲和作用较小。

①硬质合金

难加工材料由于切削力较大，切屑与前刀面接触短，使得切削力主要集中在刃口附近，容易发生崩刃现象，因此可选用YG类的硬质合金刀具进行加工。YG类硬质合金韧性较好，耐磨性和红硬性较高，导热性能也很好，适合加工奥氏体不锈钢，如YG3X、YG8、YW1、YW2A、YW3等，其硬度较高，达到74-82HRC，耐磨性和耐热性也较高，达850-1000℃；还可选用YG8N刀具，由于加入了Nb，使得切削性能比YG8提高了1-2倍，应用在粗加工及半精加工时效果良好。

可根据实际情况选用如813、758、YM051和YM052等多种新型优质的硬质合金。以813为典型，此类新型合金在奥氏体不锈钢切削时具有良好的性能，其本质原因是此类合金有较高的硬度(≥91HRA)和强度(σb=1570MPa)，并在韧性、耐热性和抗粘连性等方面有良好的表现，同时组织致密，具有较好的耐磨性。车削AISI 304不锈钢时，使用813硬质合金刀具效果**，寿命比一般硬质合金提高了2-3倍。

②高速钢

高速钢刀具可以有效避免车削不锈钢工件因为尺寸、形状结构等方面的原因引起的硬质刀具较易损坏的现象。传统的高速钢刀具(如W18Cr4V)在耐用性等方面已经不能适应目前加工的要求，但可使用含铝高速钢(如W6Mo5Cr4V2Al)和含氮高速钢(如W12Mo3Cr4V3N)等切削性能优越的新型高速钢刀具。

(2)刀具几何参数

合理确定所选刀具几何参数是有效提升刀具耐用度与AISI 304不锈钢材料加工效果的重要因素，一般要求刀具要有较大的前、后角及锋利的切削刃口。

①前角

在充分考虑刀具强度的前提下，要尽可能地选用较大的前角γ0，能降低切削力及切削温度，同时能有效降低硬化层的深度。在车削奥氏体不锈钢加工时，前角值一般为γ0=12°-20°。

②后角

在保证刀具强度的前提下，尽可能选择较大的后角α0，并能有效减小后刀面与加工表面之间的摩擦，同时切削刀具的强度以及散热能力也有一定的降低。后角值的选取与切削厚度紧密相关，在切削厚度较小时，一般选择较大的后角。实际经验表明，一般精加工时，后角α0=10°-20°；粗加工时可以选择后角α0=6°-10°。此外，在主刀刃上制作负倒棱等措施对于强化刀刃具有较为明显的作用，可将切削加工时所产生的热量分散到刀具的前刀面和后刀面，降低刀刃部分的磨损，从而提高刀具的耐用度。

③主偏角、副偏角和刀尖圆弧

一般取主偏角κr=45°-75°，副偏角κr′=8°-15°。同时为了有效增加刀尖强度，可采用磨出刀尖圆弧rc的方案，选择半径rc=0.2-0.8mm。在粗车、进给量大时一般选择较大的刀尖圆弧半径。

④刃倾角

在奥氏体不锈钢材料的切削加工中，为了提升刀尖强度，通常取刃倾角为负值。一般取刃倾角λs为-8°-3°，在断续切削时可取λs为-15°-5°。

⑤卷屑槽

奥氏体不锈钢材料具有良好的韧性及塑性，加工时不易断屑，通过优化前刀面的断屑槽参数和切削用量，采用强迫变形的方法以利于断屑。在合理选择切削用量的条件下，可以采用双刃倾角同时结合外斜式卷屑槽的方法，即刃磨出双刃倾角，使得切屑截面呈棱面形，然后在前刀面上刃磨出外斜式的圆弧卷屑槽，靠近刀尖处的切屑卷曲半径大，而靠近外缘处的切屑卷曲半径小，使车削加工时切屑沿着卷屑槽导流并卷曲成宝塔状，形成短而紧的螺旋卷屑，同时切屑翻向待加工表面而折断，断屑情况理想。

⑥刀具表面粗糙度

降低刀具的前刀面和后刀面以及刃口处的表面粗糙度可解决AISI 304不锈钢车削加工时切屑与刀具之间粘附性强的问题。好在**工具磨床上用金刚石砂轮仔细地刃磨，使得刀具表面粗糙度Ra≤0.4μm，可有效减少加工过程中切屑的粘连，同时也可降低加工过程中的切削阻力，提升刀具耐用性。如选用带涂层刀具，其涂层材料主要采用物理沉积法，以获得更光滑的刀具切削表面。

(3)切削用量

AISI 304不锈钢属于典型的难加工材料，需合理地选择切削用量。切削用量对加工硬化、切削力、热量以及加工效率等方面都有较大的影响。对切削温度和刀具耐用度影响大的是切削速度νc，其次是进给量f，而背吃刀量ap的影响程度低。

①切削速度

车削AISI304不锈钢时，为了保证合理的刀具耐用度，需适当降低切削速度，可按车削普通碳素钢的40%-60%选用切削速度，切削速度一般取νc=50-80m/min。

②背吃刀量

粗加工时可选用较大的背吃刀量，以避免刀尖与表皮间的接触，并减少走刀次数，以减少刀具磨损。粗加工时可选背吃刀量ap=2-5mm，不宜过大，否则会引起切削振动；精加工时则应选用较小的背吃刀量，一般ap=0.2-0.5mm，也不宜过小，以避开硬化层。

③进给量

进给量对加工质量影响较大，当进给量增大时，会加大切削残留高度，大大影响工件的表面质量，通常可选用f=0.1-0.8mm。精加工时应选用较小的进给量，一般取f=0.15-0.40mm/min，取值不能过小，以避免在加工硬化层内进行切削。

AISI 304奥氏体不锈钢的常用切削用量见表2(刀具材料YG8)，当直径较小时宜选用较高的主轴转速；反之亦然。

(4)切削液

由于AISI304不锈钢切削加工性能较差，因此所选择的切削液必须具有更好的冷却性、润滑性和渗透性(即抗粘结性能)，应尽可能选用含有S、Cl等极压添加剂的乳化液、硫化油。

乳化液具有良好的冷却性能，主要用于不锈钢的粗车加工；硫化油具有一定的冷却性能和润滑性能，且成本较低，可用于不锈钢的半精加工或精加工；如在切削液中加入极压或者油性添加剂则可显著增强其润滑性能，一般多用于不锈钢的精车加工。四氯化碳、煤油和油酸混合液制成的切削液极大地提高了冷却润滑液的渗透性，特别适用于AISI 304奥氏体不锈钢材料的精车加工。由于奥氏体不锈钢的切削热量大，应尽可能采用喷雾冷却、高压冷却等方法，提高冷却效果。

表2 AISI 304奥氏体不锈钢的常用切削用量

小结

实践证明，车削加工AISI304不锈钢应遵循以下基本原则：选择韧性好、强度高的切削刀具，并根据加工需求合理选择刀具的相关参数；采用合适的断屑槽改善切屑的卷曲折断；确定合理的切削用量；此外充分供应冷却液也对加工过程具有重要的影响。同时综合考虑选择相关切削参数，可通过试验方法综合分析并确定相关切削参数的佳组合。