对不锈钢材料的加工.doc

对不锈钢材料的加工。在实践中，遇不锈钢材料的攻丝是件比较困难的事。如何提高工作效率呢？这就要将丝攻进行修磨，使切削锥度延长，一般为4，使校准部分留H/4 ，这样可以减小切削厚度和切削变形；同时，切切屑也容易卷曲和排除。加大前角和后角，使=15，=25，以提高切削能力，减少摩擦。这样，虽然刀齿的强度有所降低，但因切削锥角较小，切削部分加长了，使每个刀齿的切削负荷减轻了，所以对刀齿的强度影响不大。用这种头锥攻完后，再用二锥和末锥加工，可以提高螺纹的质量和粗糙度。 三、丝攻的修磨。 丝攻发生磨损和崩刃以后，可以通过修磨恢复它的锋利性,一般情况下,主要是修磨刀齿前后角。 (一)切削刃前面的修磨。当丝攻的切削刃经钝化或粘屑，因而降低其锋利性时，可以用柱形油石研磨切削刃的前面。研磨时，在油石上涂一些机油，油石掌握平稳，注意不要将刀齿的小园角。研磨后将丝锥清洗干净。当丝攻的刀齿磨损到极限成崩刀齿时，可在刀磨上用片状砂轮修磨刀齿的前面。修磨好后，用柱形油石进行研磨，提高刀齿前面和容屑槽的粗糙度。 (二)切削刃的后角的修磨。当丝攻的切削刃损坏时，可在一般砂轮上修切削刃后角。修磨时要注意切削锥的一致性。转动丝攻时，下一条刃齿的刃尖不要接触砂轮，以免将刀齿的刃尖磨掉。 四、丝锥本身的质量状况对加工的螺纹孔有着直接的影响，因而在选用丝攻时，要注意几点： （一）丝攻的螺纹表面和容屑槽要光滑。如切屑瘤、粘屑或锈蚀时，要消除干净，以完全阻碍切削的排除。丝锥的牙形和切削部分的刀齿要锋利，不得有崩刃、毛刺、碳伤等，否则在攻削时，就会粘屑和破坏螺孔表面粗糙度。 （二）要达到工件螺纹孔的精度，要选用相应精度的丝攻进行加工。高温合金在 6001200高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。按基体元素主要可分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。按制备工艺可分为变形高温合金、铸造高温合金和粉末冶金高温合金。按强化方式有固溶强化型、沉淀强化型、氧化物弥散强化型和纤维强化型等(见金属的强化)。高温合金主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温部件（图1）;还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备以及煤的转化等能源转换装置。 发展过程 从20世纪30年代后期起，英、德、美等国就开始研究高温合金。第二次世界大战期间，为了满足新型航空发动机的需要，高温合金的研究和使用进入了蓬勃发展时期。40年代初，英国首先在 80Ni-20Cr合金中加入少量铝和钛，形成相以进行强化，研制成第一种具有较高的高温强度的镍基合金。同一时期，美国为了适应活塞式航空发动机用涡轮增压器发展的需要，开始用 Vitallium钴基合金制作叶片。此外，美国还研制出 Inconel镍基合金，用以制作喷气发动机的燃烧室。以后，冶金学家为进一步提高合金的高温强度，在镍基合金中加入钨、钼、钴等元素，增加铝、钛含量，研制出一系列牌号的合金，如英国的 “Nimonic”，美国的“Mar-M”和“IN”等；在钴基合金中,加入镍、钨等元素，发展出多种高温合金，如 X-45、HA-188、FSX-414等。由于钴资源缺乏，钴基高温合金发展受到限制。40年代，铁基高温合金也得到了发展，50年代出现 A-286和Incoloy901等牌号，但因高温稳定性较差，从60年代以来发展较慢。苏联于1950年前后开始生产“”牌号的镍基高温合金，后来生产“”系列变形高温合金和“”系列铸造高温合金。中国从1956年开始试制高温合金,逐渐形成“GH”系列的变形高温合金和“K”系列的铸造高温合金。70年代美国还采用新的生产工艺制造出定向结晶叶片和粉末冶金涡轮盘，研制出单晶叶片等高温合金部件，以适应航空发动机涡轮进口温度不断提高的需要。 提高强度的方法 高温合金应具有高的蠕变强度和持久强度（见蠕变）、良好的抗热疲劳和机械疲劳性能（见疲劳）、良好的抗氧化和抗燃气腐蚀性能以及组织稳定，其中以蠕变强度和持久强度最为重要。提高高温合金强度的途径有： 固溶强化 加入与基体金属原子尺寸不同的元素(铬、钨、钼等)引起基体金属点阵的畸变,加入能降低合金基体堆垛层错能的元素（如钴）和加入能减缓基体元素扩散速率的元素（钨、钼等），以强化基体。 沉淀强化 通过时效处理，从过饱和固溶体中析出第二相（、碳化物等），以强化合金（见合金相）。相与基体相同,均为面心立方结构，点阵常数与基体相近，并与晶体共格,因此相在基体中能呈细小颗粒状均匀析出,阻碍位错运动,而产生显著的强化作用。相是A3B型金属间化合物，A代表镍、钴，B代表铝、钛、铌、钽、钒、钨，而铬、钼、铁既可为A又可为B。镍基合金中典型的相为Ni3(Al,Ti)。相的强化效应可通过以下途径得到加强：增加相的数量；使相与基体有适宜的错配度，以获得共格畸变的强化效应；加入铌、钽等元素增大相的反相畴界能，以提高其抵抗位错切割的能力；加入钴、钨、钼等元素提高相的强度。相为体心四方结构，其组成为Ni3Nb。因相与基体的错配度较大,能引起较大程度的共格畸变，使合金获得很高的屈服强度。但超过700,强化效应便明显降低。钴基高温合金一般不含相，而用碳化物强化。 晶界强化 在高温下，合金的晶界是薄弱环节（见界面），加入微量的硼、锆和稀土元素可改善晶界强度。这是因为稀土元素能净化晶界，硼、锆原子能填充晶界空位，降低蠕变过程中晶界扩散速率，抑制晶界碳化物的集聚和促进晶界第二相球化。另外，铸造合金中加适量的铪，也能改善晶界的强度和塑性。还可通过热处理在晶界形成链状分布的碳化物或造成弯曲晶界，提高塑性和强度。 氧化物弥散强化 通过粉末冶金方法，在合金中加入高温下仍保持稳定的细小氧化物,呈弥散分布状态,从而获得显著的强化效应。通常加入的氧化物有ThO2和Y2O3等。这些氧化物是通过阻碍位错运动和稳定位错亚结构等因素而使合金得到强化的。 典型牌号 70年代典型的综合性能较好的高温合金牌号及其化学成分见表。就高温下持久强度来说，镍基合金最高，钴基合金次之,铁基合金较低（图2）。 制造工艺 不含或少含铝、钛的高温合金，一般采用电弧炉或非真空感应炉冶炼。含铝、钛高的高温合金如在大气中熔炼时，元素烧损不易控制，气体和夹杂物进入较多，所以应采用真空冶炼。为了进一步降低夹杂物的含量,改善夹杂物的分布状态和铸锭的结晶组织,可采用冶炼和二次重熔相结合的双联工艺。冶炼的主要手段有电弧炉、真空感应炉和非真空感应炉；重熔的主要手段有真空自耗炉和电渣炉。 固溶强化型合金和含铝、钛低（铝和钛的总量约小于 4.5）的合金锭可采用锻造开坯；含铝、钛高的合金一般要采用挤压或轧制开坯，然后热轧成材，有些产品需进一步冷轧或冷拔。直径较大的合金锭或饼材需用水压机或快锻液压机锻造。 合金化程度较高、不易变形的合金，目前广泛采用精密铸造成型，例如铸造涡轮叶片和导向叶片。为了减少或消除铸造合金中垂直于应力轴的晶界和减少或消除疏松，近年来又发展出定向结晶工艺。这种工艺是在合金凝固过程中使晶粒沿一个结晶方向生长，以得到无横向晶界的平行柱状晶。实现定向结晶的首要工艺条件是在液相线和固相线之间建立并保持足够大的轴向温度梯度和良好的轴向散热条件（见金属的凝固）。此外，为了消除全部晶界，近年来还研究单晶叶片的制造工艺。 粉末冶金工艺 主要用以生产沉淀强化型和氧化物弥散强化型高温合金。这种工艺可使一般不能变形的铸造高温合金获得可塑性甚至超塑性。 综合处理 高温合金的性能同合金的组织有密切关系，而组织是受金属热处理控制的。高温合金一般需经过热处理。沉淀强化型合金通常经过固溶处理和时效处理。固溶强化型合金只经过固溶处理。有些合金在时效处理前还要经过一两次中间处理。固溶处理首先是为了使第二相溶入合金基体,以便在时效处理时使、碳化物（钴基合金）等强化相均匀析出，其次是为了获得适宜的晶粒度以保证高温蠕变和持久性能。固溶处理温度一般为10401220。目前广泛应用的合金，在时效处理前多经过10501100中间处理。中间处理的主要作用是在晶界析出碳化物和膜以改善晶界状态,与此同时有的合金还析出一些颗粒较大的相与时效处理时析出的细小相形成合理搭配。时效处理的目的是使过饱和固溶体均匀析出相或碳化物(钴基合金)以提高高温强度，时效处理温度一般为7001000。 发展趋势 高温合金发展的趋势是进一步提高合金的工作温度和改善中温或高温下承受各种载荷的能力，延长合金寿命。就涡轮叶片材料而言，单晶叶片将进入实用阶段，定向结晶叶片的综合性能将得到改进。此外，有可能采用激冷态合金粉末制造多层扩散连接的空心叶片，从而适应提高燃气温度的需要。就导向叶片和燃烧室材料而言，有可能使用氧化物弥散强化的合金，以大幅度提高使用温度。为了提高抗腐蚀和耐磨蚀性能，合金的防护涂层材料和工艺也将获得进一步发展过去普通麻花钻一般用普通高速钢W6Mo5Cr4V2或W18Cr4V制造。他们的硬度为6264HRC磨成“群钻”后，切削性能的提高受到刀具材料的限制。超硬高速钢的出现，使刀具切削性能出现了一个飞跃。国外多用高钴超硬高速钢，美国的M42(110W15Mo95Cr4VCo8)和瑞典的HSP15(W9Mo3Cr4V3Co10)是其中的佼佼者。但它们的含钴量多，达810，价格昂贵。国内多用少钴或无钴超硬高速钢，如501(W6Mo5Cr4V2AL)、(Co5Si(W12Mo3Cr4V3Co5Si)、V3N(W12Mo3Cr4V3N)等。超硬高速钢的常温硬度达6769HRC，比普通高速钢高出5HRC，高温硬度亦显著提高。实践证明，用超硬高速钢制成麻花钻，再修磨成“群钻”形式，与普通高速钢“群钻”相比，钻孔效率可提高一倍以上。目前，国内一些工具厂可根据用户需求，提供超硬高速钢麻花钻。 上述所有的高速钢都是用熔炼方法制造的。有用粉末冶金工艺制造的高速钢，其性能优于熔炼高速钢。如用粉末冶金高速钢制成麻花钻，再磨成“群钻”，其钻孔效率可成倍提高。 在高速钢钻头磨成“群钻”后，如在其工作部分表面上用PVD(物理气相沉积)法涂覆TiN薄层可使其切削性能大幅度提高。但这样做，除增加了修磨工时外还将加上涂层费用，而重磨后将失去后刀面的涂层，因此涂层“群钻”难以推广。 硬质合金是一种更为先进的刀具材料，其硬度和耐磨性比高速钢高得多。但是，硬质合金的韧性较差，钻头容易折断，它的可加工性也不太好，故过去很少用硬质合金制造麻花钻。近年，随着化学成分和制造方法的改进，硬质合金的韧性有了改进，中小尺寸的整体硬质合金麻花钻已得到广泛应用。在硬材料上钻孔，效果很好。制造麻花钻，必须选用韧性和抗弯强度较高的硬质合金，例如钻钢材时可用YS25、YT798等，钻铸铁及淬硬钢时可用YS8、YSl0、YG813等，有时亦可采用YT5、YT14、YG6X、YG8等牌号。 用YG6X整体硬质合金麻花钻(直径10mm)在KmT-BCr20Mo2高铬冷硬铸铁(60HRC）上钻孔，在修磨成“群钻”形式前后进行切削对比。“群钻”形式的使用寿命约提高了3倍以上。由于硬质合金较脆，对切削部分应予以加强，“群钻”形状见图1钻高铬冷硬铸铁的整体硬质合金“群钻”图1，几何参数数值见表1。切削用量：转速n=600r/min，每转进给量=0.13mmr。 “群钻”的几何形状早在1953年，北京永定机械厂青年钳工倪志福，用标准麻花钻在装甲钢钢板上钻孔，遇到了困难。他凭经验，对标准麻花钻切削部分进行了修磨，即在两条直线主切削刃上各磨出了一个圆弧刃，形成了三个钻尖，中心钻尖比原钻尖降低。修磨过的钻头好用，很快地完成了生产任务。当时称这种钻型为“倪志福钻头”，即5 3型“群钻（60年代倪志福钻头被正式定名为“群钻”。） (图2a)。在1953年以后的十余年中，倪志福和研究小组在实践中逐步总结改进，对53型“群钻”进行过多次修改，几何参数逐步演变，形成了56型、58型、58A型、64型、67型(图2)。67型是经过多次演进而后定型的“群钻”基本钻型。 图3为中等直径67基本型群钻的切削部分几何参数。图中：l为外直线切削刃AB的长度，l2为AB刃上分屑槽的宽度，l1为AB刃上分屑槽距外缘点的距离，R为圆弧切削刃BC的圆弧半径，CD为内切削刃，近似为一条直线，h为尖高，即中心尖尖点，0c与侧刃尖尖点B在钻头轴线方向的距离，b为横刃长度，C为AB刃上分屑槽的深度，2为外刃锋角，2为内刃锋角，为内刃斜角，为横刃斜角，c、c、fc、Rc、c分别为有关切削刃上的前角、后角。这些几何参数决定着钻头各部分的强度、锋利程度和分屑、断屑性能，从而影响了钻头工作时的磨损与耐用度。 可以用四句话来总结和概括67基本型“群钻”几何形状的特征：三尖七刃锐当先，月牙弧槽分两边，一侧外刃再开槽，横刃磨低窄又尖。 “群钻”的切削效果与修磨前的普通麻花钻相比，“群钻”有前角比较合理、钻削力降低、耐用度提高、钻孔质量改善等优点；而且，分屑、断屑、排屑性能亦较好。 (1) 前角分布较为合理基本型“群钻”与普通麻花钻各段切削刃上前角的数值由下表可见。除外刃(AB段)前角基本未变外，其余各段切削刃上前角均有所加大。圆弧刃(BC段)上前角加大1014，内刃(CD段)上加大1520，横刃上约加大5。加大前角，可减小切屑变形，降低切削力及切削温度。 (2)钻削力和钻削扭矩得到降低切削试验表明，在碳素结构钢上钻孔时，“群钻”的轴向力比普通麻花钻约降低3547，扭矩约减小1030；在钻削灰铸铁时，“群钻”的轴向力约降低3550，而扭矩仅加大28；在钻削有色金属时，“群钻”的轴向力和扭矩分别降低2540和1519。钻削力和钻削扭矩降低后，有利于降低切削温度及提高钻孔质量。 (3)分屑、断屑、排屑得到改善由于外刃、圆弧刃和内刃交接处有明显的转折点，而且一侧外刃上还开出分屑槽，故能保证良好分屑。切屑变窄后有利于断屑和排屑。在这种情况下，如施加切削液，则切削液较易到达孔底与钻尖，能充分发挥冷却、润滑作用。 (4)钻头耐用度提高切削试验与现场验证表明，“群钻”切削部分的磨损比普通麻花钻明显减缓，耐用度显著提高。一般“群钻”的耐用度可提高23倍。 (5)钻孔质量提高由于横刃磨窄，定心作用好；两个侧刃尖和圆弧刃对钻头均有稳定、定向作用；且轴向力显著减小，故“群钻”钻孔时不易走偏，提高了钻孔精度。钻削过程平稳，切屑变形减小，也有利于提高钻孔表面质量。 由于“群钻”具有以上优点，40余年来驰名中外，得到了广泛的应用。一、问题的提出钻头通常是用来钻粗孔的，如果要求孔的精度高、光洁度好，则需要通过铰孔来达到。但是，我们在生产中也会碰到一些特殊情况，如有时对孔的精度和光洁度要求较高而缺乏铰刀，或要求加工出特殊的孔径尺寸而缺乏专用铰刀等。这时，如能使用钻头直接钻出精孔(尤其是对一些铸铁件)，确能起到“临阵破难关”的作用。二、钻铸铁精孔群钻的特点和使用钻铸铁精孔群钻如图5-2所示。用这种钻型的钻头来钻铸铁精孔，效果较好。其特点如下： (1)如第二章所述，要想得到较精确的孔，首先应注意在切削中保持定心稳定和不产生振动，不使出现多边形。为此，在较小锋角(2=110)的切削刃上，修磨出圆弧刃，形成一个突起的钻芯刃尖，类似一个小尺寸的钻头，它的横刃斜角较大，=80，以减小内刃的侧后角，在切削中保持稳定。 (2)在副切削刃(刃带)上，于28毫米长度上修窄，把副后角适当加大，并用油石鐾光，这样可减少刃带与孔壁的摩擦。由于副切削刃变得锋利了，有助于避免在外缘处产生积屑瘤，从实际可以看到，外缘刀刃上的积屑瘤对加工光洁度有较明显的影响。同时光鐾刃带(到8)，提高刃口的光洁度，可以避免刃带上的毛刺将孔壁擦伤。 (3)在切削刃外缘处磨出双重锋角21=1520，形成修光刃，可以减小切削中孔壁上的残留面积。由于双重锋角使切削刃外缘的锋角减小，它的切削厚度相应减薄，有利于改善钻孔的切削变形情况。钻铸铁精孔群钻切削部分的几何参数列于表5-8。(4)正确选用切削用量对保证孔的质量有重要作用。钻铸铁精孔，切削速度不宜太高，否则会影响钻头的耐用度，一般选用切削速度v15(米/分)即可。进给量的大小直接影响到切削层的变形情况，建议选用进给量f=0.10.15毫米/转为宜。在钻孔中，应使用切削液来改善加工条件。(5)在钻孔操作中，钻头要装正，保证跳动量小，使钻头切削刃口具有较好的运动精度。同时在钻完孔后，应注意先停车后退钻头，防止在退出钻头时将孔壁擦伤。(6)如能正确运用铸铁精孔群钻钻孔，可以得到精度H9H7级、光洁度58的孔。但需指出，所得到的孔当其光洁度较高时，则孔径将会出现一定的收缩，即所得孔径比所用钻头直径为小，一般收缩量为0.0050.015毫米。为此，有时可采取稍损失一点孔的光洁度的办法，来减小孔的收缩量，使得到基本符合钻头原始尺寸的孔径。但最好还是根据实际情况选择钻头的原始尺寸值，必要时，可用稍大的钻头改磨出所需要的钻头直径。三、钻铸铁精孔群钻的特点口诀铸铁精孔钻代铰， 两个锋角都较小，刃带磨窄光外刃， 突出钻尖定心好。第五节 钻不锈钢一、问题的提出 在近代工业尤其是石油、化工工业中，广泛地应用着各种类型的不锈钢。这类钢钻孔时存在的问题，突出的有：(1)不容易断屑；(2)钻头耐用度低；(3)生产效率低。而且这几个问题又互相关联着。过去，在生产中处理这类问题时，常遇到以下几种不同的处置方式和造成的后果： (1)为了避免钻头磨损太快，把切削用量(尤其是进给量)选得很低。但是，这样不仅直接降低了生产效率，而且由于切削层薄，不利于断屑，从而影响到冷却效果。实际上未能起到提高钻头耐用度的作用。 (2)为了不使钻孔效率过低，切削用量(尤其是切削速度)选得较高。这样不仅直接降低了钻头的耐用度，而且还由于磨损加剧，刃磨次数增多，因而也起不到提高生产率的作用。由此可见，如何处理好耐用度、生产效率与断屑、排屑之间错综复杂的关系，便成了钻不锈钢时极待解决的一项重要问题。二、不锈钢的特点 不锈钢的种类很多，常用的基本上可分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢等三类，其他还有奥氏体铁素体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢等。 (一)马氏体不锈钢 这类钢如1Cr134Cr13等，含铬1219，含碳0.10.5，能够抗大气腐蚀，且具有较好的机械性能。马氏体不锈钢经调质处理后，硬度略有提高，通常使其HRC28。它的切削加工性比退火状态的不锈钢有所改善，淬火后还能提高其耐腐蚀性。但若提高其硬度使高于HRC30，则对刀具的磨损影响较大。 (二)铁素体不锈耐酸钢 这类钢如1Cr17Ti，Cr25Ti等，含铬1330，含碳0.25。因为它比马氏体钢的含铬量要高，无论怎样加热和冷却都不发生相变，故热处理不能强化，但变形可使其强化。在钢中加入钛，可以防止晶粒长大。其切削加工性较马氏体不锈钢差一些。向各类不锈钢中加入硫、磷、硒等元素，可以改善其切削加工性，使切屑容易切离和折断，但却相应地降低钢的塑性和韧性，且将影响其耐腐蚀性能。 (三)奥氏体耐酸钢 这类钢最有代表性的为1Cr18Ni9Ti，除含铬约18外，还含有镍9左右。它的特点是： (1)综合机械性能高除有与中碳钢相近的机械强度外，且其塑性、韧性都较高。因此，钻头在切削这类钢时，形成切屑要消耗很大的能量，这说明切削负荷很大。特别是它的高温强度大，硬度高，在切削过程中，切屑切离时的负荷大，且不易折断，钻削1Cr18Ni9Ti的切削力，在相同的切削用量下，通常比钻45钢的大1030。它的冷作强化趋势很强烈，强化系数高。如在冷挤压中，当冷挤压量达40时，强度极限()将由60公斤力/毫米2升高到120公斤力/毫米2，屈服极限将由25公斤力/毫米2增加到100公斤力/毫米2。在切削状态下，加工硬化层大都在0.10.2毫米范围内，而表面显微硬度有显著地提高。 (2)导热性差它的导热率只有碳素钢的1/31/4。切削时除一部分切削热由切屑带走外，相当多的热量则来不及从工件传导出去，从而集中在钻头的刃口处，加大了切削刃的热负荷。 (3)对其他金属材料的粘附亲和性强在一定的高温、高压作用下，易与刀具表面产生粘附现象，而形成积屑瘤。在奥氏体不锈钢的组织中，还存在着少量的碳化钛微粒，也会加剧刀具的磨损。 (4)线膨胀系数较大比中碳钢的大3040。三、钻不锈钢群钻的特点和使用 在钻孔中经常遇到的不锈钢为1Cr18Ni9Ti，根据钻削加工性分级(见表5-2)，其分级指标为4、6、7、2。可见，这种钢的主要问题是塑性大，韧性高，切屑不易折断，常缠绕在钻头上，既不安全，又影响到生产效率的提高；而且使切削液很难流入孔内，加之导热慢，从而降低了钻头的耐用度。由于导热率低这个因素不能改变，因此断屑问题成了主要问题。只要断屑可靠，排屑顺利，能使切削液的作用发挥得比较充分，即有可能适当加大一些进给量，以保证达到预期的生产效率，并使刃口有可能避开切削冷硬层，进一步提高切削刃的耐用度。钻不锈钢的钻型如图5-3和表5-9所示。用它钻不锈钢时，切屑长100毫米左右，呈礼花状，如图5-4所示。切屑从孔中顺利排出，切削液也能顺利地向孔内流入，工作安全可靠。 关于这种钻头的使用特点简单叙述如下：(1)“礼花”状切屑的形成和排出 以图5-4所示的这种钻型与基本型群钻比较可以看出，其不同点是尖高，圆弧刃浅，圆弧半径大，单边分屑槽也浅，B、B点的刀尖角均较大，150，使B点在分屑方面处于时分时而不分的“临界”状态；使B点处有时出宽的卷屑，有时则能将切屑撕裂断开。“礼花”状切屑是属于长螺距带状屑与短螺距的螺卷屑的过渡型。正是利用这种过渡的不稳定性，以达到断屑目的。图55a所示B点处于分屑状态，此时外侧段出直屑，内侧段出卷屑。随着卷屑的卷曲半径逐渐加大和直屑逐渐加长，在钻头刃沟槽和孔壁的作用下，二者向一起靠拢，两股切屑的撕裂作用减弱，直至不能分屑，如图5-5b所示。合并后的宽屑把原来内侧段形成的窄卷屑卷在里边，且连同外侧段的直屑一起巷曲，但是原已形成的直屑是向上窜的，它阻止了宽屑的卷曲，于是，当宽屑卷曲一周左右时，便将原外侧段切出的直屑从直屑和卷屑的交接处横向斜拧而折断，如图5-5c。剩下来的宽屑，由于内刃处前角最小，切屑变形最大，切屑呈撕裂状态，而且圆弧刃部分的切屑抗断能力差，容易被撕裂，于是宽屑从芯部开始向外撕裂，如图5-5d所示，一直撕到B点处。由于内外两段切屑的流向、流速及卷曲程度均不同，又和图5-5a一样，切屑又分成了平直的和卷曲的两股。这就是礼花状切屑形成的全过程。由上可见，要形成这种切屑的关键是：第一，使分屑点B处于临界分屑状态，即一般是分屑状态，但当分开的切屑在流出中有会合趋势时，就可以转化为不分屑状态。外刃的单边分屑槽应该磨得比较浅，最好是在刃口的后刀面由沟背转点向刃口方向磨，当磨到刃口处，再用油石将刃口稍为鐾低一点即可。第二，要适当加大尖高（h0.05d0.07d)和圆弧半径(R=0.2d)，圆弧刃比较浅，从而使B点的刃尖角150，以减弱该点处的分屑能力，且又使切屑在一定情况下形成越卷越大的螺卷状，接着，由于该处刃口主偏角的变化、切屑流出方向的趋势不同，导致切屑逐次地被撕裂开，最后又实现在B点处分屑的目的。第三，B点的位置应选择适当，1=1.73.3毫米(参见表5-9)，掌握好外刃所出平直切屑的宽度，在适当大的进给量和较低的切削速度配合下，有利于这段切屑在斜拧状态中蹩断，经验表明，切屑过窄而薄不易折断。 当钻头直径较小时(d15毫米)，可不必在外刃上磨分屑槽，即以B点来代替B点的作用，能达到同样的目的。 (2)外刃锋角的选择外刃锋角不仅影响到切削刃B点的刃尖角，以及分屑和外刃处切屑的排出情况，而且影响到钻头的耐用度。 不锈钢的线膨胀系数较大，孔容易收缩，因此，锋角大一些为好，同时控制一定的进给量以加大切削厚度，有可能使切削刃避开冷硬层；适当加大锋角，还有利于排屑，因此有利于提高钻头的耐用度。但是外刃锋角又不宜增加过大，如过大则相应地会使外缘转点处的刃尖角减小过多，反而不利于提高钻头的耐用度。根据对厚度为52毫米的1Cr18Ni9Ti钢，用5只10.4毫米的钻头，反复重磨不同的2值进行试验，取：进给量f=0.2毫米/转，转速n=320转/分，v=10.5米/分，乳化液冷却。试验钻型的几何参数为：2=135，fc=11，k=0.7毫米，R=2毫米，l= 3毫米，而改变外刃锋角2的大小为110150。试验结果如图5-6所示。 试验表明，钻不锈钢当外刃锋角2135140时，耐用度最好；大钻头取较大值。(3)正确地选用切削用量适当加大进给量和降低转速，有利于实现断屑。而且切削用量对钻头的耐用度影响很大。从钻孔试验中(见表5-10)可以看到，采用姐10.4毫米的钻头，当进给量不变、转速由320转/分增大到400转/分时，钻头的耐用度降低很多；而当切削速度不变，进给量由0.2毫米/转增大至0.25毫米/转时，钻头的耐用度也有明显的降低。 试验还表明，切削速度对加工光洁度影响不大。(4)钻孔时的系统刚性要好特别是钻小孔时，可用较短的钻头以增强钻头的刚性。实践证明，采用短钻头其耐用度将比长钻头提高310倍。(5)注意充分冷却 一般采用乳化液冷却，根据有的试验对奥氏体不锈钢采用浓度大(2030)的乳化液可以明显降低扭矩和轴向力。采用内冷却钻头比普通溅入式冷却，能改善钻削条件，见效切屑收缩系数。四、钻不锈钢群钻的特点口诀钻心稍高弧槽浅， 刃磨对称是关键。一侧外刃浅开槽， 时连时分屑易断。第六节 钻 高 锰 钢一、问题的提出 在工程机械、矿山机械和越野车辆的制造中，常遇到高锰钢铸件，如ZGMn13等。这种钢的钢水有良好的流动性，能够浇出断面比较薄、形状较复杂的铸件。它在经过水韧处理后，可得到很好的韧性和很高的耐磨性，但钻孔时钻头磨损很快。特别是用普通高速钢麻花钻来钻孔，则耐用度更低，因此，如何提高钻头的耐用度，是一个突出的问题。二、高锰钢的特点 常用的高锰钢ZGMn13，含碳0.91.3，含锰1114。这种钢只有在纯粹的奥氏体组织时，才有非常坚韧的性能。因此，铸件应加热到临界温度以上，使碳化物能全部溶解到奥氏体中，而后在水中迅速冷却，得到均匀的奥氏体组织，这种淬火热处理即所谓水韧处理。在淬火后，钢的硬度并不高(HB179229)，但若受到剧烈的冲击压力时，钢就产生强烈的加工硬化现象，硬度会剧增到HB450550。这种材料在受到冲击压力发生变形的过程中，会消耗那些对钢表面继续作用的冲击压力，阻止力的作用传递到更深的钢材内层中去。可见，这对切削加工是很不利的。 冷加工后，表面层的加工硬化深度决定于负荷的大小和作用延续的时间，一般表面硬化层厚度为0.3毫米左右。在切削过程中，还会形成氧化层Mn2O3，硬度也很高。 高锰钢在淬火后，若在一定温度下回火，约到600左右，塑性即降低很多，变形强化作用减弱，可以改善加工性。 高锰钢的导热系数很低，约为碳钢的1/31/4，而且它的线膨胀系数较高，约为碳钢的1.9倍。根据表5-2可钻削性分级表所示，其分级指标为6、9、7、2，因此难加工的关键在于极高的韧性和很低的导热率，导致钻孔中的热负荷大，钻削温度高。三、钻高锰钢硬质合金群钻的特点和使用钻高锰钢不宜用高速钢麻花钻，通常使用钻高锰钢硬质合金群销，如图5-7所示，其特点如下： (1)这种硬质合金钻头的构造与制造，与通用硬质合金钻头相同。但钻头的本体应有良好的刚性和强度，一般用40Cr制造，长度也应尽可能短些。柄部钻尾可采用加强型。 (2)工件刚性不好时，钻孔部位的支承面应尽可能垫实。 (3)刀片材料可用YG8或YW2，钻头本体的刀槽宽度比刀片厚度约大0.2毫米。若选用齿冠刀头，则使用效果更好。 (4)切削部分的几何参数与几何角度，与钻铸铁群钻基本相似，只是将尖高h加高到0.08d，圆弧刃的圆弧半径R加大到0.4d，以加大B点刃尖的刀尖角，改善散热条件和强度，使该处既不易崩刃和磨损，又能起到分屑的作用。同时R加大些，有利于对硬质合金的刃磨，减缓砂轮的损耗。根据同样理由，在外缘处磨出双重锋角；并磨出负前角(nc=-15)，而把外缘的后角适当加大(dnc=12，fc=20)。刃口的修磨质量很重要，应该用油石仔细地鐾光，以提高刃面的光洁度，刃口应光整，不得有锯齿。 (5)切削液要充足，如有条件，可将整个零件浸在切削液中进行钻孔。选用切削用量时，从钻冷硬层严重的情况来看，本应选用较低的切削速度和较大的进给量，但这样切削力过大，易使切削刃破损。在选用适当的切削条件下(合理的切削用量和充分冷却)，可使切削加工中的切削温度控制在一个较稳定的600左右范围内，这时加工条件较为有利。同时可以观察到：当工件较薄、钻到出口时，材料达到暗红的程度。如采用16.6毫米的钻头，可使转速n=670850转/分，f=0.070.09毫米/转。应该指出，在采用上述切削用量的条件下，倘使冷却不充分，切削温度过高，由于高锰钢的线膨胀系数大，将会导致孔径收缩，甚至咬死钻头。 (6)硬质合金钻头的磨钝标准很重要。有时尽管声音较大，只要是连续均匀的，仍属于正常的切削。但当有刺耳的尖叫声，甚至是噗噗地响声时，刃口就应该重磨。同时还应经常观察外缘转角处的后角和刃带的磨损情况，一般当磨损到1毫米时即应重磨，不可疏忽大意。否则当磨损过大时，切削负荷增大，将会使整个刀片崩碎，弄得不可收拾。 (7)在操作中，严禁中途停车，并应尽量防止由于负荷大而引起的“闷车”，因为这势必会造成刀具崩刃，甚至使刀头完全崩碎。 (8)用这种钻头钻高强度钢、硬钢材，如逆磁铸钢(如50Mn18Cr4)等，效果也很好，它的耐用度和效率比高速钢群钻提高五倍以上。四、钻高锰钢硬质合金群钻的特点口诀高锰钢料难钻削， 合金钻头负前角，双重锋角刃鐾光， 暗红热钻效果好。高温合金切削加工 高温合金是在1000左右条件下使用的一种工程材料，广泛应用于航天、航空、各种热处理设备。由于高温合金中含有许多高熔点合金元素Fe、Ti、Cr、Ni、V、W、Mo等，这些合金元素与其它合金元素构成纯度高、组织致密的奥氏体合金。而且有的元素又与非金属元素C、B、N等构成硬度高、比重小、熔点高的金属与非金属化合物，使其切削加工性变得很差。它的相对切削加工性，只有45号钢的520%。 切削特点 a、切削力大：比切削45号钢大23倍。 b、切削温度高：比切削45号钢高50左右。 c、加工硬化严重：切削它时的加工表面和已加工表面的硬度比基体高50100。 d、刀具易磨损：切削时易粘结、扩散、氧化和沟纹磨损。 刀具材料 a、高速钢：应选用高钒、高碳、含铝高速钢。 b、硬质合金：应采用YG类硬质合金。最好采用含TaC或NbC的细颗粒和超细颗粒硬质合金。如YG8、YG6X、YG10H、YW4、YD15、YGRM、YS2、643、813、712、726等。 c、陶瓷：在切削铸造高温合金时，采用陶瓷刀具也有其独特的优越性。 刀具几何参数 变形高温合金(如锻造、热轧、冷拔)。刀具前角0为10左右；铸造高温合金0为0左右，一般不鐾负倒棱。刀具后角一般=1015。粗加工时刀倾角s为-5-10，精加工时s =O3。主偏角r为4575。刀尖圆弧半径r为0.52mm，粗加工时，取大值。 切削用量 a、高速钢刀具：切削铸造高温合金切削速度Vc为3m/min左右，切削变形高温合金Vc=510m/min。 b、硬质合金刀具：切削变形高温合金Vc：4060m/min；切削铸造高温合金Vc=710m/min。进给量f和切削深度p均应大于0.1mm，以免刀具在硬化后的表面进行切削，而加剧刀具磨损。 切削液 粗加工时，采用乳化液、极压乳化液。精加工时，采用极压乳化液或极压切削油。铰孔时，采用硫化油8590+煤油1015%，或硫化油(或猪油)+CCl4。高温合金攻丝十分困难，除适当加大底孔直径外，应采用白铅油+机械油，或氯化石蜡用煤油稀释，或用MoS2油膏。 高温合金钻孔 高温合金的钻孔，十分困难，一般应采用硬质合金钻头，如浅孔钻、整体或镶焊的硬质合金钻头。如采用高速钢钻头时，应修磨钻头的副后角0，以减小和孔壁的摩擦。同时还应修磨钻尖，减小钻头横刃的宽度，以减小钻削时的轴向力。钻头要锋利，最好采用自动进给，钻削时，钻头不要在切削表面停留，以免加剧切削表面硬化，给下一次进刀带来困难。为满足高温合金材料的加工需要，这种钻头的横刃部被设计成具有很大切削面积的正前角，这种结构大大减小了轴向切削力，并有利于切屑的自由排出。钻头只能在低切削速度和低进给速度条件下进行加工，且切削时间长，而且钻头还是会很快在切削刃、钻尖和切削刃转角处崩碎、破裂，高温合金材料及其切削加工性随着科学技术和人类文明进步的需要，机械产品高性能、多功能、高质量要求十分强烈，产品结构要求也更加紧凑，零件尺寸向微细化发展。为满足上述要求，具有高硬度、高韧性和高耐磨性的难加工材料在产品中使用得越来越多。与一般钢材相比，高温合金的切削加工难点主要表现在以下几个方面：1）加工硬化倾向大。比如GH4169未强化处理的基体硬度约HRC37，切削后表面产生0.03毫米左右的硬化层，硬度增加到HRC47左右，硬化程度高达27%。加工硬化现象对刀具寿命有很大影响，通常会产生严重的边界磨损。2）切削力大。高温合金强度比汽轮机常用合金钢材料高30%以上，在600以上的切削温度下，镍基高温合金材料的强度仍高于普通合金钢材料。未强化处理的高温合金单位切削力在4000N/mm2以上，而普通合金钢仅2500N/mm2。3）材料导热性差。切削高温合金时产生的大量切削热由刀具承受，刀尖承受了高达8001000的切削温度，在高温和大切削力作用下，将导致切削刃产生塑性变形、粘结与扩散磨损。4）镍基合金主要成份为镍和铬，另外还添加有少量其它元素：钼、钽、铌、钨等，值得注意的是，钽、铌、钨等也是用来制造硬质合金(或高速钢)刀具的主要成分，用这些刀具加工高温合金会产生扩散磨损和磨料磨损。孔加工的一般特点孔加工是切削加工中难度较大的加工方式，属半封闭式加工。特别是实心钻孔时，切削热极易滞留在切削刃附近，切削热和切屑的及时排出很困难，这是影响刀具寿命的关键所在，必须给以足够的关注。镗孔和扩孔加工是在有预钻孔条件下切削，与车削加工状态相似，但刀杆系统刚性随孔的深径比增加而呈三次方递减，通常镗孔和扩孔的刀杆系统刚性比车削和铣削条件低得多。为了保证孔加工精度、改善排屑条件，刀刃结构、刀杆直径和刀杆强度必须给予合理匹配。高温合金孔加工技术难点相对于一般钢材切削加工，切削高温合金的刀具寿命要低50%以上，加工效率很低，加工成本也高得多。高温合金孔加工主要难点是：1) 切削力大，消耗机床功率大。比如，采用某进口品牌的68机夹扁钻在GH901上进行实心钻孔，功率消耗大于30KW，而用相当直径的机夹复合钻在15CrMo汽缸中分面上钻孔功率消耗低于10KW。2) 孔加工是半封闭的切削，产生的高切削热和断屑困难的切屑难以及时排出远离刀尖，刀具磨损更为剧烈。例如，在采用普通麻花钻钻GH901时按普通材料切削用量加工，仅几分钟，刀尖就呈现出蓝色表面的烧伤现象。3) 用普通的钻削方法难以保证高温合金孔的精度要求。其原因是钻削轴向力大，用摇臂钻床等系统刚性较差的设备加工，钻头等刀具易产生较大的弯曲，导致钻孔偏斜，影响钻孔精度。例如，用普通麻花钻加工GH901阀杆14.5径向孔时，钻头在较大的钻削力作用下，发生弯曲，刀刃磨损极快，无法正常切削；改为镗床钻孔，在其它切削条件不变的情况下，顺利地完成了钻孔任务。4) 高温合金孔加工中，刀具磨损比加工普通钢材快得多，且需要切削性能更好的刀具材料。据研究资料统计，加工高温合金的刀具费用是一般钢材的510倍。高温合金孔加工刀具材料可用于高温合金加工的刀具材料主要有CBN、陶瓷、硬质合金及高速钢。中小型孔钻削加工的刀具材料推荐使用以超细晶粒合金作基体的新型涂层(如TiAlN、TiZrN)硬质合金，这种材料具有优异的耐磨性和很低的摩擦系数，是目前难加工材料切削最常用的刀具材料。如国内外一些刀具专业厂生产的整体硬质合金钻头及可转位镗刀大量使用了该项技术。在高温合金钻、扩、铰加工中，仍然大量使用高速钢材料。高速钢刀具材料的韧性比硬质合金高得多，对机床精度和系统刚性要求没有硬质合金刀具高，因此在大中型孔的钻削加工中更有优势。高温合金实心钻孔钻头基本结构及要求 对镍基高温合金类难加工材料进行实心钻削加工时，常用刀具有整体钻头、机夹钻。机夹钻包括机夹深孔钻(如机夹扁钻、可转位深孔钻)和可转位浅孔钻(用于加工长径比小于5的实心孔)。整体钻头包括硬质合金钻头和高速钢钻头，20以下的孔推荐使用整体硬质合金钻。使用整体硬质合金钻要求机床有足够的进给精度、回转精度和刚性。普通镗铣床及钻床主轴跳动一般超过0.05毫米，不能满足硬质合金钻头使用要求。钻头应优先采用公差等级H6圆柱柄，并用精密强力夹头或液压夹头装夹，以提高刀具系统精度。关于整体硬质合金钻头(以及焊接硬质合金钻)的刃磨，要求有数控刀具磨床及相关修磨软件，如果企业没有修磨条件，可以优先推荐使用高速钢钻头加工高温合金。钻削高温合金，要求钻头有更好精度，据有关资料介绍，一些航空航天加工厂钻削这类材料时要求其钻尖径向跳动不大于0.02毫米。钻头的关键还是钻尖的结构，包括锋角、横刃宽度、前角以及钻尖的对称性。增大锋角可减少刃屑接触长度，降低切削热，改善钻头切削条件。高温合金钻头的锋角推荐135140。钻头横刃对钻削性能有非常大的影响，一般情况下，横刃处的钻削力可占整个钻头切削力的60%左右，如果不对横刃进行适当的修磨处理，在钻削高温合金材料时，钻尖很快就会磨损烧伤。S形(国内叫十字形)修磨，就是为了加大横刃处前角，减少横刃的长度。未经修磨过的钻头，横刃处前角为30左右，经“十字修磨”后横刃处前角大于15。这是降低钻头扭矩和切削热的有效途径，这对延长刀具寿命和提高切削条件十分有利。国内外开发的许多新型钻头产品，其横刃均有此特点。钻削高温合金孔的钻尖要有足够的对称性，这是控制孔尺寸和位置精度的必要条件。采用机磨是控制钻头锋角、横刃对称性的最好办法。钻孔冷却方式 为了便于排屑，市场上推出了内冷孔钻头，可供给充足的水溶性冷却液或雾状冷却剂等，使排屑变得更为顺畅，这种方式对切削刃的冷却效果也很理想。但该钻头要求机床具有内冷系统，或者有外冷转内冷机构。同时，该类钻头的刀具成本高，而且刀具修磨一般要求在刀具刃磨中心上重磨。在一般情况下，钻削可以采用外冷方式。加工高温合金有效的冷却是必不可少的，水基切削液是冷却效果最好的切削液。为了改善实心钻孔的冷却条件，喷液嘴应尽量接近钻头入口处，并与钻头轴线夹角小于30，喷液方向尽量与钻头螺旋沟槽方向一致，见图所示。 外冷方式高速钢麻花钻 高速钢麻花钻是低速加工高温合金的传统刀具，其优点是容易手工修磨，刀具材料韧性好，对机床的要求相对较低。下面是用高速钢麻花钻加工高温合金孔的实例。工件材料：GH901机床：数控落地镗床TK6513，机床功率30KW钻头：普通HSS麻花钻，锋角140，横刃修磨要窄0.2mm钻头尺寸：12.380切削用量：Vc=3.864m/min，fn=0.06mm/r冷却条件：外冷，马斯特水基切削液，每钻进3mm立即退刀，防止钻刃空转与孔底反复挤压磨擦而增加高温合金材料的加工硬化层厚度，钻尖全部退出， 其目的是对钻头及孔内进行冷却，提高切削液冷却效果，改善排屑条件。一个孔加工时间：17分钟刀具磨损：锋刃有较轻微的磨损加工效果：孔的直线度、表面粗糙度均达到了预钻孔要求可转位浅孔钻 可转位浅孔钻是带可转位硬质合金刀片的高效钻孔刀具，其钻孔效率是普通钻头的4倍以上。东汽最早在贝拉尔蒂数控镗床上用于加工普通钢材料法兰面螺栓孔，目前已在常用钢材加工中广泛使用。通过试验该钻头也能用于高温合金阀杆的钻削加工，但要求刀具有如下结构特点：第一、 刀片要有较锋利的切削刃，以降低钻削力；第二、 刀片断屑槽要合理，减少切屑的过分卷曲变形带来的大量切削热；第三、 根据机床功率选用合适的刀具直径；第四、 选择合适的刀具长径比，尽量增加刀具系统刚性。现以高温合金轴类零件71240径向孔加工为例进行分析。1 浅孔钻的选择与整体钻和硬质合金焊接钻相比，浅孔钻的切削力较大，在选择时要考虑系统刚性和机床功率等基础问题。为了满足高温合金对钻头的要求，首先选择刚性较好的3倍径浅孔钻。另外经试验，钻头直径选择68时，切削消耗功率接近TK6513数控落地镗床的额定功率30KW。为此，结合现有资源，选择了58的浅孔钻。具体规格如下：钻头规格：58174刀片型号：P284797 WAP352 切削用量的选择如前所述，高温合金材料的切削加工性很差，在加工中的切削用量要比加工普通材料低得多，如在车削GH901阀杆时切削用量仅为Vc=25m/min、 fn=0.15mm/r、ap=2mm。而高温合金实心孔的钻削难度更是高于一般车削加工。另外，实心钻削加工刀具排屑空间很有限，还需要考虑排屑的状态，试验表明，“C”型屑有利于排屑，较合理的切削用量如下(钻头半径为29mm)：Vc20m/min、fn=0.1mm/r3 钻削方法因机床无内冷系统，切屑无法及时排出。为克服该问题，减少切