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不锈钢的钻削

时间: 2011-06-26 21:17 来源: 作者: Eckehard Kalhoefer&n 点击:
奥氏体不锈钢的材料性质增加了加工的难度,尤其是在进行钻削加工时。针对市面上畅销钻削的调查显示出了对切削参数进行优化的可能性。

奥氏体不锈钢及其加工正不断受到越来越多的重视。1990年全球范围内的奥氏体不锈钢消耗量约为1280万吨,而2007年这一数字已增长到2780万吨。人们通过研究单个金加工步骤所花费的工艺时间发现,在所有的金加工工艺中钻削加工耗时最长。本文将以使用目前市面上常见的整体硬质合金螺纹在奥氏体不锈钢上进行的钻削加工为基础开展评测。

铁素体和马氏体的不锈钢具有相对较好的切削性能,而奥氏体不锈钢却与此相反。首要的原因是奥氏体不锈钢会产生较大的屈服,出现冷作硬化、粘结、较高的刚性以及较低的热传导性。通常情况下,含有杂质的钢材的热传导性为50W/(m×K),而奥氏体不锈钢的热传导性为15W/(m×K)。奥氏体不锈钢的极限延展率为40%。

进行钻削加工时,较低的热传导性将会导致工件上材料在钻削区域局部过热。钻削区域附近材料所发生的延展将受到周围温度降低区域的阻碍,从而迫使材料沿着钻孔中心线方向延展。这样的结果是将导致不锈钢加工时堵塞刀具。进行钻削加工,尤其是对不锈钢材料进行钻削加工时将会产生上述现象,还会急剧钝化刀具的切削刃。用于加工不锈钢的导槽也不应过大,以尽可能减少孔壁上产生的摩擦。

40bar压力、6%浓度内部冷却润滑

本次评测挑选了几家著名厂商针对不锈钢加工推出的整体硬质合金钻头系列(图1)。这些刀具的尖端结构、螺纹角度和楔角差别较小,而主切削刃差别较大。如图1所示,刀具的切削刃形式有直线型、凹形和凸型。大多数钻头的横向切削刃均比较锋利。采用内部冷却方式的钻头直径为8毫米。根据生产厂商的推荐优化了切削速度和进给量,其中切削速度达到了50米/分钟和75米/分钟。此外,还针对进给量开展了测试,直至钻头折断,目的是评价刀具的过载能力。所有的测试均使用40bar压力、6%浓度的乳液进行内部冷却润滑。通孔钻头的L/D(长度/直径)系数约为3(25毫米/8毫米)。


图1:参加评测的各整体硬质合金钻头的尖端几何结构

刀具的过载能力十分重要

接下来将针对三种不同的材料进行评测,即1.4301(X5CrNi18-10)、1.4305(X8CrNiS18-9)以及1.4571(X6CrNiMoTi17-12-2)。材料1.4305由于含有硫化物而具有更好的切削性能,1.4571耐酸性能更好。上述材料的强度值差别不大。对材料1.4301进行切削加工所需的扭矩要略高于其他两种材料。所测最小数据的偏差略大于20%,最大数据的偏差略大于10%。将每种材料所测得的最大、最小数据进行比较可以发现偏差范围在30%至35%之间。而由于刀具几何结构的不同而引起的扭矩和功率差别约为30%至35%之间。因此,每种刀具仍具备优化的潜力。类似的,刀具的进给力测试也给出了相似的结果。不同的刀具及材料之间的差别仍然巨大。

为了确定钻头的过载能力,进给量将逐步提高,直至刀具折断。多数实验证明,当进给量在0.3至0.4毫米范围内时,刀具可以保持不被折断。其中有两种刀具能够在0.8至1毫米范围内的进给量条件下依然保持不被折断。当然,孔壁的表面质量以及退刀时出现的毛刺说明如此巨大的进给量并没有实际意义。这些测试证明了刀具所具有的较强的过载能力。

进给量将极大地影响切屑的形状。当进给量为0.1毫米时,将出现连续挤压的切屑(图2右图)。当进给量继续增大时,将出现典型的短切屑(图2中图)。钻孔开始阶段将出现正常状态的切屑(图2左图)。进行切削加工时的进给量应大于0.1毫米。如果切屑难以排出,则将出现连续挤压形式,甚至堵塞钻头引起刀具折断。通常情况下,孔壁的表面粗糙度Ra的范围为6至16微米。此外,实验还证明0.1至0.25范围内的粗糙度与进给量没有直接的联系。一部分刀具产生的粗糙度随进给量的增大而增大,另一部分刀具产生的粗糙度反而减小。全新刀具退刀时的毛刺高度在0.1至0.25毫米之间。孔的公差范围满足ISO公差带标准IT9。


图2:切屑的形式与进给量密切相关

出现大量冷作硬化现象的材料在加工表面的边缘容易出现硬化。在对奥氏体不锈钢进行钻削加工时也可以观察到。如果材料的基础硬度在270 HV0.05,那么孔边缘的硬度将上升至400 HV0.05。硬化边缘的深度在150至200微米之间。上述数值几乎不受进给量和刀具几何结构的影响。后续工艺,诸如攻螺纹或者铰孔等工序仍需注意上述现象,以便尽可能去除硬化边缘。后续刀具的切削刃应该足以应付边缘区域,从而消除切削刃上承受的额外负载。

总结:切削参数对于奥氏体不锈钢的加工具有十分重要的意义。不同钻头的表现说明许多刀具仍具备优化空间。上述测试属于“巴登符腾堡州高校创新项目”框架范畴。衷心感谢巴登符腾堡州科学研究及艺术部、巴登符腾堡州高校研究发展协调局为本项目所做的贡献。

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