淬火钢的切削加工

1．什么是淬火钢?它有哪些切削特点？

    淬火钢是指金属经过淬火后，组织为马氏体，硬度大于HRC50的钢。它在难切削材料中占有相当大的比重。

    加工淬火钢的传统方法是磨削。但为了提高加工效率，解决工件形状复杂而不能磨削和淬火后产生形状和位置误差的问题，往往就需要采用车削、铣削、镗削、钻削和铰削等切削加工方法。淬火钢在切削时有以下特点：

    (1)硬度高、强度高，几乎没有塑性：这是淬火钢的主要切削特点。当淬火钢的硬度达到HRC50～60时，其强度可达σb=2100～2600MPa，按照被加工材料加工性分级规定，淬火钢的硬度和强度均为9a级，属于最难切削的材料。

    (2)切削力大、切削温度高：要从高硬度和高强度的工件上切下切屑，其单位切削力可达4500MPa。为了改善切削条件，增大散热面积，刀具选择较小的主偏角和副偏角。这时会引起振动，要求要有较好的工艺系统刚性。

    (3)不易产生积屑瘤：淬火钢的硬度高、脆性大，切削时不易产生积屑瘤，被加工表面可以获得较低的表面粗糙度。

    (4)刀刃易崩碎、磨损：由于淬火钢的脆性大，切削时切屑与刀刃接触短，切削力和切削热集中在刀具刃口附近，易使刀刃崩碎和磨损。

    (5)导热系数低：一般淬火钢的导热系数为7.12W/(m•K)，约为45号钢的1/7。材料的切削加工性等级是9a级，属于很难切削的材料。由于淬火钢的导热系数低，切削热很难通过切屑带走，切削温度很高，加快了刀具磨损。

    2．怎样选择切削淬火钢的刀具材料？

    合理选择刀具材料，是切削加工淬火钢的重要条件。根据淬火钢的切削特点，刀具材料不仅要有高的硬度、耐磨性、耐热性，而且要有一定的强度和导热性。

    (1)硬质合金：为了改善硬质合金的性能，在选择硬质合金时，应优先选择加入适量TaC或NbC的超细微粒的硬质合金。因为在WC-Co类硬质合金中，加入TaC以后，可将其原来的800℃高温强度提高150～300MPa，常温硬度提高HV40～100。加入NbC以后，高温强度提高150～300MPa，常温硬度提高HV70～150。而且TaC和NbC可以细化晶粒，提高硬质合金抗月牙洼磨损的能力。TaC还可以降低摩擦系数，降低切削温度，增强硬质合金抗热裂和热塑性变形的能力，同时也将WC的晶粒细化到0.5～1μm，其硬度提高HRA1.5～2，抗弯强度可提高600～800MPa，高温硬度比一般硬质合金高。

    常用来切削淬火钢的硬质合金牌号有：YM051、YM052、YN05、YN10、600、610、726、758、767、813等。

    (2)热压复合陶瓷和热压氮化硅陶瓷：在Al2O3中加入TiC等金属元素并采用热压工艺，改善了陶瓷的致密性，提高了氧化铝基陶瓷的性能，使它的硬度提高到HRA95.5，抗弯强度可达到800～1200MPa，耐热性可达1200℃～1300℃，在使用中可减少粘结和扩散磨损。其主要牌号有AG2、AG3、AG4、LT35、LT55、AT6等。氮化硅基陶瓷是在Si3N4中加入TiC等金属元素，其硬度为HRA93～94，抗弯强度为700～1100MPa。其主要牌号有HS73、HS80、F85、ST4、TP4、SM、HDM1、HDM2、HDM3。这两种陶瓷适用于车、铣、镗、刨削淬火钢。

    (3)立方氮化硼复合片(PCBN)刀具：它的硬度为HV8000～9000，复合抗弯强度为900～1300MPa，导热性比较高，耐热性为1400℃～1500℃，是刀具材料中最高的。它十分适合于淬火钢的半精加工和精加工。

    综上所述，切削淬火钢最好的刀具材料是立方氮化硼，其次是复合陶瓷，再其次是新牌号硬质合金。

    3．怎样选择切削淬火钢刀具的几何参数？

    切削淬火钢时，光有好的刀具材料，而没有合理的刀具几何参数，也不能达到满意的效果。所以要根据具体的刀具材料、工件材料和切削条件，合理地选择刀具几何参数，才能有效地发挥刀具材料应有的切削性能。

    (1)前角：前角的大小对切削淬火钢影响很大。由于淬火钢的硬度、强度高，切削力大，而且集中在刀具刃口附近。为了避免崩刃和打刀，前角应选零度和负值，一般γ0=-10°～0°。工件材料硬度高、断续切削时，应选较大的负前角，γ0=-10°～-30°。如果采用正前角可转位刀片时，应磨出bγ=0.5～1mm宽，γ01=-5°～-15°较大的负倒棱，以增强刀刃强度。

    (2)后角：切削淬火钢刀具的后角应比一般刀具的后角大一些，以减小后刀面的摩擦，一般α0=8°～10°为好。

    (3)主偏角和副偏角：为了增强刀尖强度和改善散热条件，主偏角κr=30°～60°，副偏角κ’r=6°～15°。

    (4)刃倾角：刃倾角为负值时，可以增大刀尖强度。但负值太大时，会使Fp力增大，在工艺系统刚性差时，引起振动。所以在一般情况下，λs=-5°～0°；断续切削时，λs=-10°～-20°；硬齿面刮削滚刀，它的刃倾角λs=-30°。

    (5)刀尖圆弧半径：它的大小影响刀尖强度和已加工表面粗糙度。因工艺系统刚性的影响，刀尖圆弧半径γε=0.5～2mm为宜。

    切削淬火钢刀具，在合理选好几何参数的基础上，必须经过仔细刃磨和研鐾，提高刀具各表面的刃磨质量，使刀具耐用度得到提高。

    4．怎样选择切削淬火钢时的切削用量？

    切削加工淬火钢的切削用量，主要根据刀具材料、工件材料的物理力学性能、工件形状、工艺系统刚性和加工余量来选择。在选择切削用量三要素时，首先考虑选择合理的切削速度，其次是切削深度，再其次是进给量。

    (1)切削速度：一般的淬火钢耐热性在200℃～600℃，而硬质合金的耐热性为800℃～1000℃，陶瓷刀具的耐热性为1100℃～1200℃，立方氮化硼的耐热性为1400℃～1500℃。除高速钢外，一般淬火钢达到400℃左右时，它的硬度开始下降，而上述刀具材料仍保持它原有的硬度。所以在切削淬火钢时，充分利用上述这一特性，切削速度不宜选择太低或太高，以保持刀具有一定的耐用度。从目前的经验来看，不同的刀具材料切削淬火钢的切削速度，硬质合金刀具Vc=30～75m/min；陶瓷刀具Vc=60～120m/min；立方氮化硼刀具Vc=100～200m/min。在断续切削和工件材料硬度太高时，应降低切削速度，一般约为上面最低切削速度的1/2。在连续切削时的最佳切削速度，以切下的切屑呈暗红色为宜。

    (2)切削深度：一般根据加工余量和工艺系统刚性选择，一般情况下，αp=0.1～3mm。

    (3)进给量：一般为0.05～0.4mm/r。在工件材料硬度高或断续切削时，为了减小单位切削力，应当减小进给量，以防崩刃和打刀。

    5．怎样用陶瓷刀具切削淬火钢?

    采用陶瓷刀具材料切削淬火钢，比用硬质合金切削淬火钢，有其显著的效果。这主要表现在陶瓷刀具的硬度和耐热性高于硬质合金。用它来制造的车刀、铣刀、螺纹刀具，均可成功地切削淬火钢，其耐用度均高于YT05、643、YM052等硬质合金。

    (1)充分发挥陶瓷刀具材料硬度和耐热性比硬质合金高这一特点，选择的切削速度应高于硬质合金切削淬火钢的切削速度，一般高50％。如在切削速度50m/min时，陶瓷刀具的后刀面磨损量与硬质合金接近。当切削速度增至95m/min时，它的耐磨性远远高于YT05等硬质合金。如用陶瓷刀片作成的三面刃铣刀，以102m/min的切削速度铣完深5.2mm、宽16mm、长700mm的淬火钢键槽，刀具基本上无磨损。

    (2)陶瓷刀具在切削中受冲击载荷时，刀具应选择小的主偏角、大的刀尖圆弧或采用圆形刀片，以增加刀尖强度，避免刀具损坏。如采用圆形陶瓷刀片作成的机夹端铣刀，铣削淬火钢，Vc=120～150m/min，Vf=230～290mm/min，αp=1～2mm。

    (3)应采用负前角和负刃倾角，以利于增加刀刃和刀尖强度。刀刃和刀面的粗糙度Ra要小于0.4μm。

    (4)切削时一般不用切削液，若要用，要自始至终充分供给，否则刀片会因热胀冷缩而产生裂纹。

    (5)陶瓷刀具的抗弯强度低于硬质合金的抗弯强度，为了减小刀具单位面积受力，切削时进给量要小一些，一般为f=0.08～0.15mm/r。

    6．怎样使用立方氮化硼刀具切削淬火钢?

    立方氮化硼刀具(CBN)不仅是制造磨具的好材料，而且它容易修磨(可用金刚石磨轮刃磨)，也是用于制造车刀、镗刀、铣刀、枪钻、铰刀、齿轮刀具等的好材料。CBN主要用来切削各种淬火钢，也可用来切削其他难切削材料。它不仅有很高的金属切除率，而且有很好的表面加工质量。切削各种淬火钢可以有效地代替磨削，减少加工工序，提高生产率。现在市场上所销售的CBN刀片，大都以它与硬质合金复合片的形式，作成可转位刀片或刀具，其目的就是提高CBN刀片的抗弯强度。

    由于CBN刀具的硬度高(HV8000～9000)，耐热性高(1400℃～1500℃)，在使用时能允许以高于硬质合金几倍的切削速度切削淬火钢，而耐用度是硬度合金的几倍到几十倍。切削淬火钢时CBN刀具与硬质合金刀具对比。

    国内生产CBN刀片的厂家有成都工具研究所，生产的牌号为LDP—J；第六砂轮厂生产的DLS—F1、DLS—F2、DLS—F3。还有不少厂家生产CBN可转位刀片和焊接刀。LDP—J和DLS—F1主要用于切削各种淬火钢。DLS—F2主要用于切削各种铸铁。DLS—F3主要用于切削高温合金和钛合金。

    CBN刀具不适于低速切削，CBN刀具靠切削时所产生的切削热，在切削区微小的范围内软化工件材料来切削的。

    在切削硬度为HRC55～65的材料时，CBN刀具的切削速度应在50～120m／min。铣削时的Vc=100～160m/min，每分钟进给量Vf=70～160mm/min；铰削时Vc=60～130m/min，ap=0.1～0.2mm，f=0.07～0.2mm/r。CBN刀具主要用于淬火钢的半精加工和精加工。其加工表面不会像磨削那样产生烧伤现象，效率比磨削高十倍左右。

    CBN刀具切削淬火钢时的几何参数是γ0=-15°～-5°，α0=α’0=10°～15°，κr=30°～60°，κ’r=5°～15°，λs=0°～10°，γε=0.3～1mm。

    7．用CBN刀具切削淬火钢时，在哪些情况下代替磨削最为有效？

    (1)在数控机床上切削复杂的表面和几个复杂的表面，代替磨削工序，可以减少1/3～2/3的劳动量，而且能保证很高的位置精度。

    (2)形状复杂的内孔或小孔。如采用磨削，要求砂轮的形状也相应复杂，有的时候无法磨削，这时采用车削最为有利。

    (3)一个零件几个表面(外圆、内孔、端面、阶台、沟槽)都需磨削，这时采用车削，一道工序即可完成，可减去磨削用的工装。

    (4)零件淬火后易变形和留余量小时易造成废品，这时可留余量大一些，待淬火后，再用CBN刀具切除多余余量，再磨削，以减少因变形大而产生的废品。

    (5)在加工载荷变动量很大的，困难条件下使用的表面高频零件，采用CBN刀具加工，工件表面组织和物理力学性能较磨削时好，可以延长零件的使用寿命。

    8．怎样车削淬火钢滚丝轮的螺纹？

    淬火后滚丝轮的螺纹，一般都采用螺纹磨床磨削。但为了提高加工效率和解决没有螺纹磨的困难，也可采用车削的方法加工。

    (1)滚丝轮的技术要求：坯料材质为Cr12MoV合金工具钢，经淬火后硬度为HRC59，牙距为1.5mm，螺纹头数为10头，半角α/2＝30º±25＇，牙深为0.922mm，牙尖高h1＝(0.435±0.042)mm，牙根高h2＝(0.487(＋0.010/－0.029)mm。

    (2)机床与刀具：机床是大连生产的8955型290mm铲齿车床，机床附件为分度盘。刀具分粗车刀和精车刀，刀具材质为YM052硬质合金。刀具几何参数为：γ。＝－3º，α。＝5º，α＇＝0º～2º，εr＝60º20＇，λs＝－5º，前刀面向螺旋方向倾斜3º。各角度在工具磨磨好后，用金刚石油石鐾研，并在主、副刀刃和刀尖处鐾出负倒棱。

    (3)切削用量：切削速度26.2m/min，粗车螺纹aP＝0.1～0.15mm，精车aP＝0.05～0.08mm。在车削中，每走一次刀，分一次头，以保证每齿均匀地去除余量。

    (4)注意事项：为了防止切入切出时刀尖崩刀，在螺纹的两端各倒30º角。为了准确地控制每次吃刀深度，在横向进刀放一百分表。

    9.怎样钻取出在螺纹孔中折断的丝锥？

    用丝锥攻螺纹时，稍微不慎或攻难切削材料的螺纹，往往把丝锥扭断在孔中，不易取出，使工件成为废品。为了减少废品，采用电火花把断在孔中的丝锥打掉或用硬质合金钻头钻掉。采用硬质合金钻的办法简单，工人易掌握。

    (1)刀具：用硬质合金圆棒，磨成如图2-1所示的四棱钻，材质为YG6X或YM052、813等。钻头直径应大于丝锥心部直径。

    (2)操作注意事项：在校正好钻头和孔的位置后，要把钻头和工件固定好。断在螺孔中的丝锥头部不平整，开始钻时一定要慢，以免伤了螺孔和把孔钻歪。钻时的切削速度为20～25m/min，要随时观察钻削的情况，及时清除丝锥的碎块和切屑，直到把断在孔中的丝锥钻掉。

    10.怎样用高速钢钻头钻削硬材料？

    这里所说的硬材料是指热处理后，其硬度为HRC38～42的材料，或在零件表面经过渗碳、氰化、镀铬后，有一层硬化层的表面。在这样硬的材料或表面上钻孔，十分困难，有时只能在表面上钻出一个小坑，钻头就发出吱吱叫声，出现严重磨损。这时在没有硬质合金钻头的情况下，可采用改变了几何参数的高速钢钻头，也能成功地钻削上述硬材料。钻硬材料群钻参数见图2-2。

    为了增加刀刃强度，改善散热条件，采用了减小前角、加大圆弧槽半径和外缘刃的刀尖角的办法。钻头的几何参数如图2-2所示。钻孔时应选较短的钻头，以增强钻头的刚性。工件刚性不足时要增加辅助支承。钻削用量一般选取νc＝2～5m/min，进给量f＝0.03～0.05mm/r或手动进给。切削液应选用切削油或极压切削油。

    11．用立方氮化硼磨轮磨削高速钢有哪些优点？

    高速钢是淬火钢中有特殊用途的钢种。立方氮化硼磨轮特别适用于磨削高速钢。由刚玉砂轮磨削高速钢，特别是磨高钒高速钢时，磨削力大，磨削温度高，易发生烧伤，磨粒磨损快，易堵塞，易脱粒，磨削困难。如用立方氮化硼磨轮磨削W18Cr4V、W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5Cr4V5SiNbA1、W6Mo5Cr4V5Co3SiNbA1、W10Mo4Cr4V3A1等5种高速钢的试棒时，累计磨去17mm，磨轮仍然很锋利。又如用镀铜的立方氮化硼磨粒的磨轮，磨削W6Mo5Cr4V5SiNbA1高速钢拉刀，可磨150个刀齿，而用白刚玉砂轮一个刀齿也磨不动，单晶刚玉加微晶刚玉砂轮只能磨出7～8个刀齿。

    立方氮化硼磨轮磨削高速钢有很高的耐用度。它的磨损量是单晶刚玉的1/64，是绿色碳化硅的1/104，是白刚玉的1/99。

    立方氮化硼磨轮磨削高速钢有很高的磨削比。用它磨削高钒高速钢(W12Cr4V5Co)的磨削比为140，而刚玉类砂轮是10，金刚石磨轮是16。用它磨削超硬高速钢(W2Mo9Cr4VCo8)的磨削比为660，而刚玉砂轮是10，金刚石磨轮是18。用它磨削钨钼高速钢(W6Mo5Cr4V2)的磨削比为980，刚玉类砂轮为10，金刚石磨轮的磨削比为20。

    立方氮化硼磨轮磨削高速钢时可以避免烧伤。当用刚玉砂轮磨削高速钢时，很快就磨损，如不及时修整，就会出现烧伤，影响磨削质量。而立方氮化硼磨轮，直到磨耗完也不需要修整，也不会出现烧伤。

    立方氮化硼磨轮有很高的切削能力，单位磨削功率比刚玉砂轮小2/3～5/6。

    12.切削淬火钢的实例有哪些？

    淬火钢的切削，是难切削材料最有代表性的一种。以前人们认为它硬度高，只能磨削。现在由于切削技术的进步，以车削、铣削、刨削和钻削代替磨削也习以为常了。

    (1)车冷镦轴承滚子模具顶杆，材质为合金工具钢Crl2MoV，淬火后硬度为HRC62～66。由于工件细长，怕淬火，变形大，留了2mm的余量，给磨削带来困难，改为车削。采用LT55的陶瓷车刀，刀具几何参数是：γ。＝－8º，α。＝8º，κr＝75º，κ＇r＝15º，γε＝0.5mm。切削用量是：νc＝35m/min，aP＝0.3～0.5mm，f＝0.1～0.2mm/r。刀具耐用度为25min，表面粗糙度为Ra＝3.2～1.6μm。

    (2)刨淬火后的高速钢，材质为W18Cr4V，硬度为HRC64，工件尺寸120mm×40mm。刀具材料为YM052硬质合金。刀具几何参数是：γ。＝－10º，α。＝6º～8º，κr＝45º，κ＇r＝15º，γs＝－10º，γε＝1mm。切削用量是：νc＝8m/min，aP＝0.5～0.8mm，f＝0.1～0.15mm/行程，刀具耐用度为21min，表面粗糙度为Ra＝3.2μm。

    (3)用立方氮化硼刀具车削淬火后的轴承钢(GCrl5)，硬度为HRC62。工件为轴承外环。刀具几何参数是：γ。＝－6º，α。＝8º，κr＝45º，κ＇r＝45º，γε＝1.2mm，λs＝0º。切削用量是：νc＝115m/min，aP＝0.3mm，f＝0.1～0.2mm/r。刀具耐用度为55min，表面粗糙度为Ra＝1.6μm。

    (4)钻铰淬火钢小孔，工件材质为GCrl5，淬火后的硬度为HRC58～60。钻孔直径为声ψ4(＋0.03,0)mm，深为10mm。此孔是产品改进后加钻的。钻头和铰刀的材质为YG6X硬质合金，钻头形式为非标准麻花钻，铰刀为双刃铰刀，采用钻铰两道工序，使用的机床是台式钻床。切削速度为νc＝15.5m/min，手动进给。刃磨一次钻头可钻100多个孔，铰孔200个以上，质量完全符合工艺要求。