高錳鋼切削加工工藝性能的分析

孫廣軍

摘 要：本文論述了高錳鋼材料的特性，列舉了高錳鋼零件切削加工工藝性能及切削加工加工過程中經常出現的不良現象，分析了出現切削問題的原因，并以高錳鋼材料的車削加工為例指出了提高切削加工工藝性能的刀具參數、切削用量和輔助切削的特殊方法，為提高高錳鋼材料的切削效率提供參考。

關鍵詞：高錳鋼；切削加工；切削加工工藝參數

高錳鋼是一種耐磨鋼，錳的含量通常在1O%-18%之間。在常溫下，通過對高錳鋼進行水韌處理，可得到均勻啟勺單相奧氏體組織，單相奧氏體組織的強度、硬度比較低，具有很好的塑性及韌性。當材料表面遇到沖擊、突然加壓或摩擦后發生塑性變形，同時材料表面被劇烈強化，硬度可達HBW450-550，表面獲得良好的耐磨性，同時材料內部仍保持良好的塑性及韌性。由于高錳鋼具有良好的耐磨性能及抗沖擊性能，其廣泛應用于采石、挖掘、采礦、鑄造、煤炭工業及鋼鐵行業。

由于高錳鋼組織具有導熱系數低、線膨脹系數大、伸長率大和易加工硬化等特點，造成高錳鋼材料切削加工工藝性能很差，車削加工的過程中容易出現加工硬化、切削力大、切削溫度高、加工精度低及斷屑困難的問題。嚴重影響了高錳鋼制品的成品率機加工效率，造成高錳鋼制品加工成本提高。因此需要根據高錳鋼材料的特性探索合理的切削加工工藝參數，有效地解決高錳鋼的切削加工難題。

1高錳鋼切削加工過程中容易出現的問題

1.1加工硬化

由于水韌處理后的高錳鋼組織為均勻的單相奧氏體組織，由于面心立方晶格的結構特點，受到外力作用晶格容易發生滑移，同時誘發硬度較低的奧氏體組織轉變為高硬度的馬氏體組織，使材料加工面發生加工硬化現象（硬度可達HBW 500）。使））具磨損嚴重。

1.2切削力大，刀尖處應力集中嚴重

經X射線衍射儀及比對標準卡片分析得出高錳鋼工件在切削過程中，材料表面會發生氧化反應生成Mn203，經金相顯微鏡測定氧化層厚度約為o.1-o.3mm。氧化層的存在使切削力顯著增加。經實驗測定利用硬質合金刀具車削高錳鋼外圓時的切削力是普通中碳鋼的1.6倍左右。用YG類硬質合金刀具車削高錳鋼工件時，車削速度小于20m/min時刀具前刀面上的平均應力約為1000Mpa，是普通中碳鋼的3-4倍。刀尖處為應力集中點，容易造成刀具嘣刃。

1.3切削溫度高

由于高錳鋼工件需要較大的切削力及切削功率，因此，工件表面因切削產生的熱量多，加上高錳鋼材料導熱系數低，工件表面切削區的溫度很高，刀具切削刃熱磨損嚴重，降低車刀的使用壽命。

1.4加工精度低

由于高錳鋼材料導熱系數低，工件切削溫度高，加上高錳鋼材料的線膨脹系數大，導致工件加工面易產生熱變形，影響車削精度。同時，在高溫、高壓作用下刀具易形成積屑瘤和鱗刺，造成工件加工面粗糙度大且加工精度低。

1.5切屑韌性大，強度高，不易斷屑

經過水韌處理后的高錳鋼組織為均勻的單相奧氏體組織，具有極高的韌性，約為45#鋼的8倍，材料的伸長率大及變形系數都比較大，切削加工時切屑不易卷曲和斷屑，處理困難。

2改善高錳鋼切削加工工藝性能的措施

2.1加工前后進行熱處理

高錳鋼工件加工之前，高錳鋼工件加熱至600一650攝氏度，保溫兩小時后冷卻，這種熱處理方式為高溫回火處理，高溫回火處理可使高錳鋼內部的奧氏體組織轉變為索氏體組織，回火索氏體比奧氏體具有更好的機械性能，有效降低了高錳鋼切削加工時的加工硬化現象，從而改善了高錳鋼的切削加工性能。完成切削加工后的零件，需要重新進行淬火處理，使回火索氏體重新轉變為單相奧氏體組織。

2.2選擇適宜的刀具材料

高錳鋼材料由于具有極高的硬度及耐磨性，屬于比較典型的難加工材料，對加工刀具的材質有嚴格的要求。如表1所示，刀具選用時要優先選用硬度高、強度、韌性、熱硬性高、耐磨性好和導熱系數高的刀具。

另外，還可選用立方氮化硼CBN刀具，這種材料的硬度僅次于金剛石，是一種超硬材料，在高溫下還能保持超高硬度。為避免否則CBN與被切削工件Mn元素發生化學反應造成刀具磨損，利用立方氮化硼CBN刀具切削工件時，工件的含錳量要低于14%。

2.3合理的刀具幾何角度參數的選擇

由于高錳鋼材料具有較高的塑性和韌性，切削加工過程中容易出現加工硬化現象，且切削溫度高，斷屑困難，刀尖處應力集中嚴重，容易造成刀具崩刃，因此需要合理選擇刀具的幾何參數。本文以車削外圓為例給出車刀工藝參數參考值。

2.3.1刀具前角γo與后角αo選取

車削高錳鋼工件外圓時，為了盡量減輕材料的加工硬化現象，刀具要保持鋒利。常采用小前角或負前角，同時選用較大的后角，這樣有利于保證刃口強度及保證良好的散熱。后角太不宜過大，過大的后傾角會降低刀口強度車削時造成刀具崩刃。加工高錳鋼工件時刀具合理的參數值見表2。粗車時取小值，精車時取大值。

2.3.2刀具主偏角kr，與副偏角kr選取

選用較小偏角與副偏角有利于切削表面散熱及保證刀尖強度，提高刀具的耐用度。加工高錳鋼工件時刀具合理的參數值見表3。選取時需要結合工藝系統剛性。工藝系統剛性較好時取小值。反之，取大值。

2.3.3刀具刃傾角λs選取

切削高錳鋼工件時了使刀尖有足夠的強度及散熱能力，一般選擇負刃傾角。硬質合金材料刀具刃傾角λs=-5°-0°；陶瓷材料刀具刃傾角λs=-10°- 0°。粗車加工時刃傾角取較大的負值，精車加工時刃傾角取較小的負值。

2.3.4刀尖圓弧半徑λε選取

由于刀尖部分為高應力區域，修磨刀尖時應保留較大的圓弧半徑，以保證刀尖部分的強度和良好的散熱能力，提高刀具使用。刀尖圓弧半徑的選取和加工精度有直接的關系。粗車加工時刀尖圓弧半徑λε=1-2mm；半精車加工時刀尖圓弧半徑λε=0.5-1mm；精車加工時刀尖圓弧半徑λε=0.5-0.2mm；

2.3.5刃口倒棱

車刀最易損壞的是切削刃，通常需要將刃口修磨出負倒棱來提高刀刃的強度。減少崩刃現象。同時，刀具上需要設計斷屑槽保證良好的斷屑能力，加工高錳鋼工件時刀具刃口倒棱參數見表4。

2.4合理選擇切削用量

選擇切削用量時需要注意高錳鋼材料的加工特點：切削力大、切削溫度高、刀具磨損快等方面，設定的切削速度不宜太高。同時，由于高錳鋼材料在塑性變形和切削力的影響下存在的加工硬化現象，切削過程中高錳鋼工件在切削層及表層0.1-0.3mm深度范圍內會產生嚴重的硬化現象。應選擇較大的切削深度和進給量盡量避開毛坯表層和前一次走刀造成的硬化層。加工高錳鋼工件時切削用量見表5。

2.5采用特殊方法輔助切削

常見的輔助切削方法有以下幾種：

3結論

高錳鋼具有良好的耐磨性能及抗沖擊性能，在工業領域應用廣泛。但高錳鋼材料車削加工的過程中容易出現加工硬化、切削力大、切削溫度高、加工精度低及斷屑困難的問題。本文通過分析這些現象出現的原因，指出了高錳鋼材料在車削加工過程中合理的刀具參數的選取、切削用量的設定及和輔助切削的一些特殊方法。有效提高高錳鋼工件的切削加工工藝性能。

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