高強度不銹鋼Custom465高速車削

劉壯壯，周鵬

西安慶安航空機械制造有限公司 陜西西安 710018

1 序言

馬氏體沉淀硬化不銹鋼兼具馬氏體時效鋼良好的力學性能和不銹鋼良好的耐蝕性，其基體含碳量很低。Custom465是美國卡朋特公司研發的一種新型的馬氏體沉淀硬化不銹鋼，抗拉強度可達1800MPa，是一種性能優異的不銹鋼，它擁有良好的耐蝕性、高抗拉強度和較高的斷裂韌性，其冷拔斷面的收縮率可以超過70%，這些優良的金屬性能使此材料相對于其他不銹鋼，加工難度大大增加。

2 Custom465的化學成分及金屬特性

Custom465的化學成分（質量分數）見表1。從表1可以看出，此材料中鉻、鎳、鉬及鈦等成分含量較高，因此具有良好的金屬特性，其特點主要有以下幾點。

表1 Custom465的化學成分（質量分數） （%）

（1）耐蝕性良好 材料中含有Cr等元素，使得此材料具有良好的耐蝕性，在許多情況下其耐蝕特性可與Custom630或者13-8Mo相媲美。

（2）硬度高 此材料在H950的狀態下，具有非常高的硬度，其硬度可達到47HRC，使得其具有優良的力學性能。

（3）強度高 此材料的抗拉強度是1800MPa，在這種狀態下，其冷拉拔斷面的收縮率可以超過70%。

（4）耐磨性差 此材料具有良好的韌性和耐蝕性，但是有一個顯著的缺點就是其耐磨性能不足。

此材料擁有較高的硬度和抗拉強度，并且含有比例較高的Ni、Ti等元素，使得其成為難加工的材料。

在加工過程中主要會出現下述幾種情況：①刀具與切屑的直接摩擦加劇，刀具材料與工件材料產生親和作用，加之材料硬質點的存在和嚴重的加工硬化現象，刀具在切削過程中易產生磨損，使刀具喪失切削性能。②合金有高塑性和高韌性的特點，再加上強化系數高，在切削力和切削熱的作用下產生巨大的塑性變形，造成加工硬化。在切削熱的作用下，材料吸收周圍介質中的氫、氧及氮等元素的原子，形成硬脆的表層，給切削帶來很大的困難。③由于材料具有高的硬度和強度，原子密度和結合力大，抗斷裂韌性和持久塑性高，在切削過程中切削力大，而且切削力的波動也比較大。④合金在切削過程中消耗的切削變形功率大，產生的熱量多，在切削區集中了大量的切削熱，形成了很高的 切削溫度。

3 影響切削的因素分析

切削熱以及由切削熱而產生的切削溫度是影響切削過程的非常重要的物理因素。大量的切削熱使得切削區域的溫度升高，直接影響刀具的磨損和使用壽命，并且影響工件的加工精度和表面質量。因此，對加工過程的切削溫度進行研究對于高效、穩定地生產制造具有重要的意義。

（1）切削熱 被切削的金屬材料在刀具切削的作用下發生彈性變形和塑性變形，這個過程會產生大量的切削熱。同時，切屑與前刀面、工件及后刀面之間消耗的摩擦功也將轉化為熱量，這是切削熱的另一個來源。

（2）影響切削溫度的主要因素 ①工件材料。工件材料的強度、硬度越高，切削時產生的熱量就越多，切削溫度就越高，工件材料的熱導率大時，溫度會下降得快一點。②刀具的幾何參數。刀具的前角、主偏角、刀尖R及斷屑槽的結構等都會影響切削過程中切削熱的產生。③切削參數。切削速度對溫度的影響最大，其次是進給量和背吃力量。 ④其他因素。當刀具出現磨損時，加劇了刀具與工件的摩擦，會使得切削溫度升高，使用切削液對于降低切削溫度有良好的作用。

4 加工過程模擬分析

近年來，有限元方法在切削工藝中的應用表明，切削過程中的有限元模擬加工對了解切削機理，提高切削質量很有幫助。通過有限元仿真可以減少基礎試驗、重新設計刀具，減少試驗過程產生的材料浪費，縮短零件的加工周期，并且減少加工過程的整體費用。

傳統的變量篩選方法有前進法、后退法、逐步回歸法、最佳子集法；常用的逐步回歸法已可有效篩選變量。在多元回歸分析中，亦有使用主成分分析法、正交變換法篩選變量。如果多元線性回歸建模效果不好，研究對象較為復雜，基于MIV的人工神經網絡法、自變量降維的遺傳算法，以及針對小樣本的支持向量回歸法（SVR）等值得關注。

應用有限元方法的7個主要步驟是：建立積分方程→區域單元劃分→確定單元基函數→單元分 析→總體合成→邊界條件處理→解有限元方程。由于沒必要得出科研級別的精確結果，因此可將上述7個步驟簡化成以下5個主要步驟：建立幾何模型→網格劃分→設置初始條件→模擬運行過程→后處理。筆者結合已有的有限元分析技術，利用分析軟件Deform 3D，對高強度不銹鋼Custom465的加工過程進行分析，主要分析加工過程的切削溫度及切削溫度與加工參數的關系。

（1）刀具前角對切削溫度的影響 利用Deform 3D進行模擬，可使用不同的切削速度、不同刀具前角的刀具進行切削分析。使用8組數據進行模擬分析，數據及試驗結果見表2。

表2 刀具前角對切削溫度的影響

由表2可得出刀具前角對切削溫度的影響，如圖1所示。隨著前角的增大，切削溫度會降低，但是前角過大，又會使切削區域的溫度散熱面積減小。

圖1 刀具前角對切削溫度的影響

（2）切削速度的影響 同樣使用8組試驗參數，模擬切削速度與切削溫度的關系，使用的試驗參數及試驗結果見表3，其線性關系如圖2所示。

圖2 切削速度對切削溫度的影響

表3 切削速度對切削溫度的影響

通過試驗可以得出，在切削速度提升的情況下，切削區的切削溫度提升很快。因此要選用高硬度、涂覆耐高溫涂層的刀具，此類刀具的切削壽命長且能控制加工過程的穩定性。刀具的前角以及切削參數要進行適當的控制，以便取得良好的加工質量。

（3）進給量的影響 使用8組試驗參數模擬進給量與切削溫度的關系，使用的試驗參數及試驗結果見表4，其線性關系如圖3所示。

表4 進給量對切削溫度的影響

圖3 進給量對切削溫度的影響

結合試驗數據以及圖3能夠看出，隨著進給量的增加，切削溫度逐漸上升，但是上升的速度正逐漸下降。

（4）背吃刀量的影響 使用8組試驗參數模擬背吃刀量與切削溫度的關系，使用的試驗參數及試驗結果見表5，其線性關系如圖4所示。

表5 背吃刀量對切削溫度的影響

圖4 背吃刀量對切削溫度的影響

結合試驗數據以及圖4能夠看出，隨著背吃刀量的增加，切削溫度逐漸上升。

5 加工驗證

為了更好地研究Custom465的切削性能及切削過程，使用完全熱處理后的H950狀態的材料進行切削試驗，主要研究合適的切削刀具及加工參數。

1) 首先試驗車削外圓粗加工過程，試驗的切削參數見表6。

表6 粗車切削參數

結果顯示，1號刀具和2號刀具在粗加工中顯示出良好的切削性能，在耐用程度上，刀具圓角較大的刀具壽命會更長。3號刀具和4號刀具的切削性能較差，很容易出現磨損，無法正常加工。隨著切削速度的提升，1號刀具和2號刀具的切削性能出現直線下降，無法完成單件工件的加工并且出現嚴重磨損，加工狀態極其不穩定。

2）接下來試驗精加工車削外圓，試驗的第1組參數見表7，第2組參數見表8。

表7 第1組精車切削參數

表8 第2組精車切削參數

結果顯示，1號、2號及5號、6號刀具效果較差，在工件外圓出現了明顯的色差以及環狀的加工紋路，效果較差，不適合精加工。3號、4號刀具效果較好，工件的表面顏色一致，表面粗糙度可以達到圖樣要求。繼續研究3號、4號刀具的切削數據。當切削速度＞120m/min、背吃刀量＞0.15mm時，零件外圓的表面粗糙度又無法穩定保證，刀具磨損加劇，加工狀態較差。當加工參數控制在上述參數以內，3號、4號刀具加工狀態相近，可保證工件穩定的加工質量。

3） 由于內孔較小，因此鏜孔時選擇尺寸較小的刀片，根據車削外圓的加工經驗，設置試驗的切削參數（見表9）。2號刀具在切削速度、背吃刀量、進給量、刀具壽命以及工件表面質量幾個方面都表現出優良的性能，提高了整體的切削效率，試驗較為成功。

表9 粗鏜孔切削參數

4) 精加工鏜削內孔的試驗切削參數見表10。由表10數據可知，將進給量控制在0.08mm/r，進給速度控制在30～60m/min，背吃刀量控制在0.05～0.10mm，可保證1號刀具切削效果良好，2號刀具的狀態較差。

表10 精加工鏜削內孔切削參數

6 結束語

利用軟件模擬加工過程，根據模擬結果試驗Custom465車削性能，可以得出如下結論。

（1）粗加工 在粗加工階段，選擇C形刀片，可保證刀具擁有足夠的強度，同時選擇較大的刀具圓角，保證刀具具有足夠的耐磨性能。

（2）精加工 精加工要保證工件良好的表面質量，一般會選擇V形刀片，刀具的圓角可選擇R0.2mm或者R0.4mm，這樣能保證刀具足夠鋒利，使加工出的工件具有良好的表面質量。

（3）斷屑槽 因為此材料擁有良好的塑性，不易斷屑，在選擇斷屑槽時，要盡量選擇輪廓變化較快的結構，可以保證切屑易于折斷，防止切屑纏繞，損傷已加工表面。例如WIDIA的SM刀具的斷屑槽，這種槽形可以最大限度地減少材料與刀片的連接，容易斷屑。該刀片所擁有的特征使得其加工Custom465材料時，可以獲得良好的表面粗糙度。

（4）刀具涂層 由模擬試驗可知，在加工時，切削區域的切削溫度非常高，選擇的刀具要耐高溫，保證刀具在切削時擁有良好的切削狀態。例如，選擇PVD涂層、TN6010涂層等，這些涂層使刀具適用于加工硬度較高的材料。

（5）合理的加工參數 在切削性能優良的材料時，不能一味地追求高的切削用量，必須保證穩定的加工狀態，在此基礎上提高切削效率。

（6）科學的工藝安排 高強型不銹鋼一般都具有兩種狀態，在最終熱處理前，零件的硬度和強度都比較低，可使用較大的切削用量，因此要在最終熱處理前盡量多去除一些材料，減少精加工的切削量，提高效率。

根據上述分析，結合試驗結果可知：粗加工外圓時，可選擇較大的切削量，其產生的切屑較厚，為卷曲狀，如圖5所示。鏜削內孔時，粗加工階段的切削用量較車削外圓時低，其切屑厚度比粗加工薄，如圖6所示。精車外圓和精鏜內孔時，切削用量較小，切屑為絮狀，如圖7所示。

圖5 粗車外圓切屑

圖6 粗鏜內孔切屑

圖7 精車外圓和精鏜內孔切屑

使用合理的加工參數，可保證加工出的工件有良好的表面質量，并且加工時狀態比較穩定，過程受控，工件的外圓及內孔表面狀態如圖8、圖9所示。

圖8 外圓精加工狀態

圖9 內孔精加工狀態