小型不锈钢精密零件的数控铣削方法

2017-09-07钱伟薛鹏

军民两用技术与产品 2017年13期

关键词：铣刀数控铣切削力

钱伟薛鹏

（中国工程物理研究院电子工程研究所，绵阳 621900）

小型不锈钢精密零件的数控铣削方法

钱伟薛鹏

（中国工程物理研究院电子工程研究所，绵阳 621900）

奥氏体不锈钢零件材料的切削加工性较差，尤其是小型精密零件的加工一直以来都是机械加工技术的难点。数控加工技术的发展为解决不锈钢精密零件加工精度一致性差、效率低的问题提供了有效的途径。根据该类零件多年的加工经验，结合数控加工的优势，从分析零件材料性能特点着手，从加工路线、刀具选择、工艺方案等方面提出了综合解决方案，并通过生产实例验证了该类零件数控铣削加工方案的有效性。

不锈钢，精密零件，数控铣削

奥氏体不锈钢（1Cr18Ni9Ti）精密零件具有机械性能和尺寸稳定性好、耐腐蚀、使用寿命长等优点，已广泛应用于医疗、仪器仪表等精密机械领域。但奥氏体不锈钢材料的强度高、塑性大，切削加工性能差，属难加工材料，加工过程中存在着切削力大、加工振动明显、刀具耐用度低、加工尺寸一致性差、生产效率较低等问题。

近年来，随着数控设备的引进和先进刀具的采用，先进数控设备承担了大量不锈钢零件的加工任务，为解决上述问题，更好地发挥数控加工生产效率高和精度高的优势，本文以某小型精密零件为实例，从材料性能及零件加工难点、加工方法改进、刀具及切削用量的选择等方面对不锈钢材料零件的加工进行了探索，以期达到提高该类零件数控加工质量稳定性、提升产品生产效率的目的。

1 材料性能及零件加工难点分析

图1所示的零件为典型的不锈钢精密零件，结构较为复杂，包含多个孔、台阶、凹槽等要素，且呈不对称结构；零件部分尺寸精度达IT8级，各安装定位面表面粗糙度达Ra1.6。在上述技术要求条件下，需要使用钻头、铣刀、镗刀等10余把刀具、划分近20个加工工步才能完成零件加工，任何刀具或工步出现问题，均可能会造成产品质量问题。

奥氏体不锈钢综合性能较好，但其强度高，塑性大、加工硬化现象明显，在铣削加工时存在以下难点：一是，由于奥氏体不锈钢强度高、塑性大，材料不易被切离，造成切削力大，比中碳钢（45#）切削力大25%；二是，奥氏体不锈钢的导热系数仅为中碳钢的1/3，铣削温度高，使得铣削加工条件恶化；三是，由于材料加工硬化趋势严重，再加上铣削是断续切削，冲击、振动大，使得铣刀容易磨损和崩刃，在使用小直径立铣刀时，易出现“打刀”（折断）现象。此外，不锈钢材料在铣削加工过程中会引起刀具耐用度下降，造成零件尺寸控制不准、表面粗糙度达不到要求。

综上所述，在零件结构复杂、加工工步多、材料加工难度大的情况下，应采取切实有效的措施，以保证加工过程质量稳定，提高产品合格率。

2 数控铣削加工应采取的措施

针对奥氏体不锈钢材料的加工特点，通过对近年来数控加工实践经验的不断总结，可从加工路线的改进、刀具的正确选用、切削用量的合理选择、冷却润滑液及其施加方式的改进等方面采取措施。

2.1 加工方法的改进

2.1.1 采用顺铣加工路线

由于不锈钢材料的塑性变形大、切削温度高、加工硬化现象严重，采用逆铣加工路线时，会进一步增加加工硬化效应，而且刀齿需从已加工表面的加工硬化层滑行一段距离才能切入工件，刀刃也会由于这种滑行摩擦而易于磨损。此外，在加工如图1所示零件的内拐角处时，逆铣还会进一步增大切削力，使刀具产生“深啃”现象，造成尺寸控制不准，而且易使小直径刀具折断。

若在加工中采用顺铣的加工路线，可以使切屑粘结接触面减小，切屑在脱离工件时对刀刃的压力减小，容易甩出，从而减小切削力，使切削过程更平稳，减弱已加工表面的硬化现象；刀具切入工件的待加工表面而不在硬化层中挤刮，可提高刀具耐用度，获得较小的表面粗糙度。

在数控加工中，机床主轴、进给机构的反向间隙微小，机床刚度能够满足不锈钢材料的加工要求，不会产生顺铣带来的“窜动”，降低了刀具折断风险，因此，在保证夹具刚度和工件可靠安装的前提下，可以采用顺铣的加工方法。

2.1.2 遵循粗、精加工分开的原则

粗、精加工分开是指铣削不锈钢零件时，在工件的一次装夹中采用粗、精两套刀具分别完成粗、精加工。其优点是：可以根据粗、精加工的特点选用性能不同的刀具（如刀具精度、几何参数、材质等）；精加工刀具仅参与零件的精加工，有利于保证工件的尺寸精度和获得良好的表面质量。

粗铣后留下的精加工余量要确保均匀且略大于材料的加工硬化层，以减少精加工刀具负荷和形状误差复映现象，延长刀具寿命，提高加工精度的稳定性。

2.2 刀具的正确选用

2.2.1 刀具材料的选择

目前，适用于不锈钢加工的刀具材料有高速钢和硬质合金两种。高速钢铣刀易于制造、成本低、刃磨锋利、韧性好但耐磨性差；硬质合金铣刀制造工艺复杂、成本相对较高，在高速切削（≥40m/min）条件下具有较好的耐磨性，有利于稳定零件的尺寸精度。

考虑到数控加工的特点和生产经济性，可确定如下原则：粗加工时使用高性能高速钢铣刀（如含V、Mo、Al的高速钢），因为高性能高速钢铣刀的刀刃较为锋利，而粗加工时的对刀精度要求低，对刀容易，辅助时间短，生产成本低；精加工时，使用高精度涂层硬质合金立铣刀（如TiAlCrN、TiAlN涂层），可以高速切削且零件加工精度保持连续稳定，一般情况下可完成数十甚至数百件产品的精加工。

2.2.2 刀具几何参数的选择

在现有库存中选择刀具主要需考虑刀齿个数、前角（法向前角γo）和刀刃螺旋升角（β）等几何参数。

在粗加工中，不锈钢的切屑不易卷曲，应选择刀齿个数少、容屑槽大的刀具，使得排屑顺利，减小切削阻力。以立铣刀为例，一般选择三齿立铣刀。在精加工时，为增加切削平稳性、提高表面质量和加工效率，可选择4齿～6齿硬质合金铣刀。

铣刀前角增加可以减小切削力，使得切削轻快，排屑顺利，有利于不锈钢的加工，但前角过大，会减弱刀具刃口的强度和耐磨性，一般应选择法向前角为10°～20°的立铣刀（高速钢刀具前角比硬质合金刀具前角略大）。

螺旋升角β与刀具实际作用前角存在着密切关系：当刀具前角为5°时，若β从20°增加到40°，实际作用前角可从11°增加到27°，所以，在加工不锈钢时，采用大螺旋升角铣刀可使切削力小、加工平稳、工件表面质量高，一般β取35°～45°。

2.3 切削用量的选择

由于不锈钢材料的切削性能差、切削温度高、刀具寿命短，所以，铣削不锈钢的切削用量应比加工普通碳钢时要低。以直柄立铣刀为例，切削用量的一般选择原则参见表1。