淬火钢的切削加工技术
作者：苏州中航长风 | 来源：www.szcfedm.com | 浏览次数：
1．什么是淬火钢?它有哪些切削特点？
淬火钢是指金属经过淬火后，组织为马氏体，硬度大于HRC50的钢。它在难切削材料中占有相当大的比重。
加工淬火钢的传统方法是磨削。但为了提高加工效率，解决工件形状复杂而不能磨削和淬火后产生形状和位置误差的问题，往往就需要采用车削、铣削、镗削、钻削和铰削等切削加工方法。淬火钢在切削时有以下特点：
(1)硬度高、强度高，几乎没有塑性：这是淬火钢的主要切削特点。当淬火钢的硬度达到HRC50～60时，其强度可达σb=2100～2600MPa，按照被加工材料加工性分级规定，淬火钢的硬度和强度均为9a级，属于最难切削的材料。
(2)切削力大、切削温度高：要从高硬度和高强度的工件上切下切屑，其单位切削力可达4500MPa。为了改善切削条件，增大散热面积，刀具选择较小的主偏角和副偏角。这时会引起振动，要求要有较好的工艺系统刚性。
(3)不易产生积屑瘤：淬火钢的硬度高、脆性大，切削时不易产生积屑瘤，被加工表面可以获得较低的表面粗糙度。
(4)刀刃易崩碎、磨损：由于淬火钢的脆性大，切削时切屑与刀刃接触短，切削力和切削热集中在刀具刃口附近，易使刀刃崩碎和磨损。
(5)导热系数低：一般淬火钢的导热系数为7.12W/(m•K)，约为45号钢的1/7。材料的切削加工性等级是9a级，属于很难切削的材料。由于淬火钢的导热系数低，切削热很难通过切屑带走，切削温度很高，加快了刀具磨损。
2．怎样选择切削淬火钢的刀具材料？
合理选择刀具材料，是切削加工淬火钢的重要条件。根据淬火钢的切削特点，刀具材料不仅要有高的硬度、耐磨性、耐热性，而且要有一定的强度和导热性。
(1)硬质合金：为了改善硬质合金的性能，在选择硬质合金时，应优先选择加入适量TaC或NbC的超细微粒的硬质合金。因为在WC-Co类硬质合金中，加入TaC以后，可将其原来的800℃高温强度提高150～300MPa，常温硬度提高HV40～100。加入NbC以后，高温强度提高150～300MPa，常温硬度提高HV70～150。而且TaC和NbC可以细化晶粒，提高硬质合金抗月牙洼磨损的能力。TaC还可以降低摩擦系数，降低切削温度，增强硬质合金抗热裂和热塑性变形的能力，同时也将WC的晶粒细化到0.5～1μm，其硬度提高HRA1.5～2，抗弯强度可提高600～800MPa，高温硬度比一般硬质合金高。
常用来切削淬火钢的硬质合金牌号有：YM051、YM052、YN05、YN10、600、610、726、758、767、813等。
(2)热压复合陶瓷和热压氮化硅陶瓷：在Al2O3中加入TiC等金属元素并采用热压工艺，改善了陶瓷的致密性，提高了氧化铝基陶瓷的性能，使它的硬度提高到HRA95.5，抗弯强度可达到800～1200MPa，耐热性可达1200℃～1300℃，在使用中可减少粘结和扩散磨损。其主要牌号有AG2、AG3、AG4、LT35、LT55、AT6等。氮化硅基陶瓷是在Si3N4中加入TiC等金属元素，其硬度为HRA93～94，抗弯强度为700～1100MPa。其主要牌号有HS73、HS80、F85、ST4、TP4、SM、HDM1、HDM2、HDM3。这两种陶瓷适用于车、铣、镗、刨削淬火钢。
(3)立方氮化硼复合片(PCBN)刀具：它的硬度为HV8000～9000，复合抗弯强度为900～1300MPa，导热性比较高，耐热性为1400℃～1500℃，是刀具材料中最高的。它十分适合于淬火钢的半精加工和精加工。
综上所述，切削淬火钢最好的刀具材料是立方氮化硼，其次是复合陶瓷，再其次是新牌号硬质合金。
3．怎样选择切削淬火钢刀具的几何参数？
切削淬火钢时，光有好的刀具材料，而没有合理的刀具几何参数，也不能达到满意的效果。所以要根据具体的刀具材料、工件材料和切削条件，合理地选择刀具几何参数，才能有效地发挥刀具材料应有的切削性能。
(1)前角：前角的大小对切削淬火钢影响很大。由于淬火钢的硬度、强度高，切削力大，而且集中在刀具刃口附近。为了避免崩刃和打刀，前角应选零度和负值，一般γ0=-10°～0°。工件材料硬度高、断续切削时，应选较大的负前角，γ0=-10°～-30°。如果采用正前角可转位刀片时，应磨出bγ=0.5～1mm宽，γ01=-5°～-15°较大的负倒棱，以增强刀刃强度。
(2)后角：切削淬火钢刀具的后角应比一般刀具的后角大一些，以减小后刀面的摩擦，一般α0=8°～10°为好。
(3)主偏角和副偏角：为了增强刀尖强度和改善散热条件，主偏角κr=30°～60°，副偏角κ’r=6°～15°。
(4)刃倾角：刃倾角为负值时，可以增大刀尖强度。但负值太大时，会使Fp力增大，在工艺系统刚性差时，引起振动。所以在一般情况下，λs=-5°～0°；断续切削时，λs=-10°～-20°；硬齿面刮削滚刀，它的刃倾角λs=-30°。
(5)刀尖圆弧半径：它的大小影响刀尖强度和已加工表面粗糙度。因工艺系统刚性的影响，刀尖圆弧半径γε=0.5～2mm为宜。
切削淬火钢刀具，在合理选好几何参数的基础上，必须经过仔细刃磨和研鐾，提高刀具各表面的刃磨质量，使刀具耐用度得到提高。
4．怎样选择切削淬火钢时的切削用量？
切削加工淬火钢的切削用量，主要根据刀具材料、工件材料的物理力学性能、工件形状、工艺系统刚性和加工余量来选择。在选择切削用量三要素时，首先考虑选择合理的切削速度，其次是切削深度，再其次是进给量。
(1)切削速度：一般的淬火钢耐热性在200℃～600℃，而硬质合金的耐热性为800℃～1000℃，陶瓷刀具的耐热性为1100℃～1200℃，立方氮化硼的耐热性为1400℃～1500℃。除高速钢外，一般淬火钢达到400℃左右时，它的硬度开始下降，而上述刀具材料仍保持它原有的硬度。所以在切削淬火钢时，充分利用上述这一特性，切削速度不宜选择太低或太高，以保持刀具有一定的耐用度。从目前的经验来看，不同的刀具材料切削淬火钢的切削速度，硬质合金刀具Vc=30～75m/min；陶瓷刀具Vc=60～120m/min；立方氮化硼刀具Vc=100～200m/min。在断续切削和工件材料硬度太高时，应降低切削速度，一般约为上面最低切削速度的1/2。在连续切削时的最佳切削速度，以切下的切屑呈暗红色为宜。
(2)切削深度：一般根据加工余量和工艺系统刚性选择，一般情况下，αp=0.1～3mm。
(3)进给量：一般为0.05～0.4mm/r。在工件材料硬度高或断续切削时，为了减小单位切削力，应当减小进给量，以防崩刃和打刀。
5．怎样用陶瓷刀具切削淬火钢?
采用陶瓷刀具材料切削淬火钢，比用硬质合金切削淬火钢，有其显著的效果。这主要表现在陶瓷刀具的硬度和耐热性高于硬质合金。用它来制造的车刀、铣刀、螺纹刀具，均可成功地切削淬火钢，其耐用度均高于YT05、643、YM052等硬质合金。
(1)充分发挥陶瓷刀具材料硬度和耐热性比硬质合金高这一特点，选择的切削速度应高于硬质合金切削淬火钢的切削速度，一般高50％。如在切削速度50m/min时，陶瓷刀具的后刀面磨损量与硬质合金接近。当切削速度增至95m/min时，它的耐磨性远远高于YT05等硬质合金。如用陶瓷刀片作成的三面刃铣刀，以102m/min的切削速度铣完深5.2mm、宽16mm、长700mm的淬火钢键槽，刀具基本上无磨损。
(2)陶瓷刀具在切削中受冲击载荷时，刀具应选择小的主偏角、大的刀尖圆弧或采用圆形刀片，以增加刀尖强度，避免刀具损坏。如采用圆形陶瓷刀片作成的机夹端铣刀，铣削淬火钢，Vc=120～150m/min，Vf=230～290mm/min，αp=1～2mm。
(3)应采用负前角和负刃倾角，以利于增加刀刃和刀尖强度。刀刃和刀面的粗糙度Ra要小于0.4μm。
(4)切削时一般不用切削液，若要用，要自始至终充分供给，否则刀片会因热胀冷缩而产生裂纹。
(5)陶瓷刀具的抗弯强度低于硬质合金的抗弯强度，为了减小刀具单位面积受力，切削时进给量要小一些，一般为f=0.08～0.15mm/r。
