高强度钢和超高强度钢的切削加工

发布日期：2012-08-29    兰生客服中心    浏览：3927


1 什么是高强度钢和超高强度钢？


所谓高强度钢，是指那些在强度和韧性方面结合很好的钢种。低合金结构钢，经调质处理后，具有很好的综合力学性能。其抗拉强度sb＞1200MPa时，叫高强度钢；其抗拉强度sb＞1500MPa时，称为超高强度钢。
超高强度钢，视其合金含量的多少，可分为低合金超高强度钢(合金含量不大于6%)、中合金超高强度钢和高合金超高强度钢。
含一种合金元素的高强度合金钢有铬钢、镍钢、锰钢等；含两种合金元素的合金钢有铬镍钢、铬锰钢、铬钼钢等；含三种以上合金元素的高强度合金钢有铬锰硅钢、铬镍钨钢、铬镍钼钢、铬锰钛钢、铬锰钼钒钢等。
高强度钢和超高强度钢的原始强度和硬度并不高，但是经过调质处理后可获得较高的强度，硬度在HRC30～50之间。
钢的抗拉强度与硬度之间存在一定的关系。一般来说，硬度提高强度也随之增高，但不能说高强度钢就是高硬度钢。所谓高强度钢和超高强度钢，是指综合性能而言的。淬火钢的硬度很高，但不能称为高强度钢和超高强度钢，其原因是它的综合性能不好，几乎没有塑性，韧性也很差，只能作耐磨零件和工具。

2 高强度钢和超高强度钢有哪些切削特点？


高强度钢和超高强度钢，由于加入不同量的合金元素，经热处理后，Si、Mo、Ni等元素使固溶体强化，金相组织多为马氏体，具有很高的强度(最高可达1960MPa)和较高的硬度(HRC＞35)，冲击韧性高于45号钢，切削时具有以下特点：

  1. 刀具易磨损、耐用度低：高强度钢和超高强度钢，调质后的硬度一般在HRC50以下，但抗拉强度高，韧性也好。在切削过程中，刀具与切屑的接触长度小，切削区的应力和热量集中，易造成前刀面月牙洼磨损，增加后刀面的磨损，导致刃口崩缺或烧伤，刀具的耐用度低。
  2. 切削力大：高强度钢和超高强度钢的剪切强度高，变形困难，切削力在同等的切削条件下，比切45号钢的单位切削力大1.17～1.49倍。
  3. 切削温度高：这两种钢的导热性差，切削时切屑集中于刃口附近很小的接触面内，使切削温度增高。如45号钢的导热系数为50.2 W/(m·K)，而38CrNi3MoVA的导热系数为29.3 W/(m·K)，仅为45号钢的60%，切削38CrNi3MoVA时的切削温度比切削45号钢的切削温度高100℃左右。切削温度高，刀具磨损加剧。
  4. 断屑困难：由于高强度钢和超高强度钢具有良好的塑性和韧性，所以切削时切屑不易拳曲和折断。切屑常缠绕在工件和刀具上，影响切削的顺利进行。

























表1 高速钢牌号的选择
刀具类型 刀具材料
车刀 W9Mo3Cr4V3Co10
W12Mo3Cr4V3Co5Si
W2Mo9Cr4VCo8
W10Mo4Cr4V3Co4Nb
W10Mo4Cr4V3Al
W6Mo5Cr4V2Al
W18Cr4V4SiNbAl
铣刀 W2Mo9Cr4VCo8
W12Mo3Cr4V3Co5Si
W9Mo3Cr4V3Co10
W10Mo4Cr4V3Co4Nb
W10Mo4Cr4V3Al
W6Mo5Cr4V2Al
W18Cr4V4SiNbAl
W6Mo5Cr4V5SiNbAl
成形铣刀 W2Mo9Cr4VCo8
W12Mo3Cr4V3Co5Si
W10Mo4Cr4V3Co4Nb
W10Mo4Cr4V3Al
W10Mo4Cr4V3Al
W6Mo5Cr4V2Al
W6Mo5Cr4V5SiNbAl
拉刀 W2Mo9Cr4VCo8
W12Mo3Cr4V3Co5Si
W10Mo4Cr4V3Al
W10Mo4Cr4V3Al
W6Mo5Cr4V2Al
W6Mo5Cr4V5SiNbAl
齿轮刀具 W6Mo5Cr4V2Al
W2Mo9Cr4VCo8
W12Mo3Cr4V3Co5Si
W10Mo4Cr4V3Co4Nb
W9Mo3Cr4V3Co10
螺纹刀具 W6Mo5Cr4V2Al
W2Mo9Cr4VCo8
W12Mo3Cr4V3Co5Si
W10Mo4Cr4V3Co4Nb
W9Mo3Cr4V3Co10

3 切削高强度钢和超高强度钢时怎样选择刀具材料？


高强度钢和超高强度钢具有很高的强度和硬度，切削时要求刀具应具有较高的红硬性、耐磨性及冲击韧性，而且不易产生粘结磨损和扩散磨损。粗加工和断续切削时，要求刀具具有抗热冲击性能。除金刚石刀具外，各种刀具材料均可以切削，在选择刀具材料时，应根据切削条件合理选择。

  1. 高速钢：选用高性能高速钢切削高强度钢和超高强度钢，应根据工件材料的性能、形状、加工方法和工艺系统刚性等特点，全面考虑刀具材料的耐热性、耐磨性和韧性等。当工艺系统刚性较好、刀具型面简单时，可采用钨系、钨钼系高钒高钴高速钢；型面复杂时，可采用钨钼系、高碳低钒含铝高速钢或钨钼系高碳低钒高钴高速钢；当工艺系统刚性较差时，可采用钨钼系低钒含铝高速钢及钨钼系低钒高钴高速钢；在冲击切削条件下，宜采用钨钼系高钒高速钢、钨钼系含铌高速钢或钨钼系含铝高速钢。不同的切削方式切削高强度钢和超高强度钢时，高速钢牌号的选择见表1。
  2. 粉末冶金高速钢和TiN涂层高速钢：粉末冶金高速钢，是由高速钢粉末在高温(1100℃)、高压(100MPa)下直接压制，再锻造成所需要的刀具形状，加工淬火后刃磨而成。它具有硬度高、高温硬度好、耐磨性好的特点，适用于高强度钢和超高强度钢的切削。如原冶金部钢铁研究总院生产的FW12Cr4V5C05(FT15)和FW 10Mo5Cr4V2Co12等。
    高速钢刀具TiN涂层，可以延长刀具耐用度2～3倍，提高切削速度25%。常用的涂层高速钢刀具有：麻花钻、立铣刀、丝锥、齿轮滚刀、铰刀和插齿刀等。

  3. 硬质合金：根据硬质合金的性能，它是切削高强度和超高强度钢的主要刀具材料。一般应选新型高性能硬质合金或涂层硬质合金。
  4. 陶瓷刀具：它的硬度和耐热性高于硬质合金，允许的切削速度比硬质合金高1～2倍。在高强度钢和超高强度钢的切削中，陶瓷刀具主要用于车削和平面铣削的半精加工和精加工中。推荐选用Al2O3～TiC系列陶瓷，如AT6、AG2、T8、LT35、LT55等。
  5. 立方氮化硼(CBN、PCBN)：这种刀具的硬度、耐磨性及耐热性很高，PCBN的强度也很高，达1500 MPa，适用于高强度钢和超高强度钢的车削和铣削，主要用于半精加工和精加工。

4 切削高强度钢和超高强度钢时怎样选择刀具几何参数？


切削高强度钢和超高强度钢，刀具几何参数的选择原则与加工一般钢材相同。但由于这种钢材的切削特点，应注意刀刃和刀尖部分的强度，以保证刀具有一定的耐用度。
刀具的耐用度，随着刀具的前角和后角改变而变化。前角大，刃口强度低，容易造成崩刃。后角小，增大了刀具与工件的摩擦，使切削温度增高，加剧刀具磨损。所以在切削时，应采用较小的前角或负前角及较大的后角。采用硬质合金刀具时，g0=4°～6°，a0=8°～12°；车削超高强度钢时，选用负前角，一般为g0=-2°～-4°。切削刃应鐾出负倒棱，一般为g01=-5°～-15°，bg=(0.5～0.8)f。这样既可以加强刀刃，又不致使切削力增大。
为了加强刀尖强度，刀尖圆弧半径应比加工一般钢材大一些。粗加工时，re=1～2 mm；精加工时，re=0.5～0.8 mm。
在车削和铣削高强度钢或超高强度钢时，高速钢、硬质合金、陶瓷、CNB刀具的几何参数见表3、表4。





























表3 车刀几何参数推荐表
刀具角度 刀具材料
高速钢 硬质合金 CBN 陶瓷
g0 3°～12° -4°～6° -8°～-12° -15°～-4°
a0 5°～10° 6°～12° 10°～15° 6°～10°
ls 4°～2° -12°～0° -10°～0° -20°～-2°



















































表4 铣刀几何参数推荐表
刀具材料 刀具角度(°)
g0 ls a0 kr gp gf b
硬质
合金		 面铣刀 -15～-6 -12～-3 8～12 30～75 -15～-6 -12～-3 -
立铣刀 - - 4～10 90 -15～-5 -10～-3 -
高速钢立铣刀 - - 7～10 90 - 3～5 30～35
陶瓷面铣刀 -20～-8 -12～-3 4～10 30～75 - - -

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