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不锈钢加工车削的车刀堵塞问题


不锈钢加工车削的车刀堵塞问题
全世界每年生产的金属器材总量的15%左右都会由于不同原因的腐蚀和氧化而遭受损失。此类金属器件损失总量的30%属于“长久性”损失,即“不可回收性”损失。对于正致力于建设“低碳经济”和“绿色经济”的人类社会而言,如何防止、减少该类损失是一个严峻的挑战。

不锈钢l具有其它钢种所不具备的优良抗蚀、抗氧化性能,因此,在汽车、火车、轻轨、地铁、高铁、磁悬浮、船舶、航空、航天、石油、水电、风电、核能、电气、电子、信息、建筑、环保、医药、食品、化工、造纸、海洋工程、军工、农业、日用品等等不同的制造业、装备制造业生产领域和生活领域,不锈钢材料广泛地得到应用。

中国的不锈钢产业,无论是产能还是产量,自2006年以来就一直高居世界**的位置。目前,国内不锈钢制品企业上万家。在一些地区,如广东省阳江还形成了年产值几百亿的不锈钢制品生产基地。2010年,中国不锈钢产量直逼900万吨,占全球不锈钢产量的1/3。年冶炼能力达1500万吨,超过欧盟诸国的总和或美国、日本的总和。国内不锈钢总需求量的60%可以自给。

不锈钢是指具有很高的耐腐蚀性能的金属材料,一般分为马氏体类不锈钢、铁素体类不锈钢、奥氏体类不锈钢、奥氏体+铁素体类不锈钢。其中以奥氏体类不锈钢、奥氏体+铁素体类不锈钢*难加工。作为一种金属材料,要对其加以应用,必须经过不同的加工方式使其成为不同的制品。不锈钢零件为达到表面品质和加工精度要求,通常采用磨削加工方法。由于不锈钢韧性大、导热系数小、弹性模量小,故在磨削加工中常存在如下问题:砂轮易粘附堵塞;加工表面易**; 加工硬化现象严重;工件易变形。不难看出,砂轮和磨削液的选择直接影响磨削效率和加工精度。

目前,国内不锈钢制品行业在磨削加工中普遍采用的仍是陶瓷结合剂氧化铝系列磨具和涂附磨具。在不锈钢磨削加工中时常遇上“堵塞”问题的困扰,影响不锈钢制品的加工效率和效果。因此,人们把不锈钢划入“难加工材料”的范畴。

不锈钢的种类及其磨削加工的特点

添加不同元素将直接影响不锈钢的组织形态,如铁素体形成元素:Cr、Mo、Si、Ti、Nb;奥氏体形成元素:C、N、Ni、Mn、Cu等。其中Cr元素在不锈钢中的含量对不锈钢的抗蚀性和氧化性有至关重要的影响。

目前,不锈钢中同时加入Cr、Ni元素的要占不锈钢总产量的60%以上。

在金属材料的分类上,人们常依照金相特点的不同将不锈钢分为五类,即:

□ 马氏体不锈钢
□ 铁素体不锈钢
□ 奥氏体不锈钢
□ 奥氏体——铁素体复相不锈钢
□ 沉淀硬化不锈钢

其中*常见的当数奥氏体不锈钢,大约要占到不锈钢总量的70%。

与结构钢相比,不锈钢导热性差、弹性模量低、伸长率大,而且断面收缩率也大,给加工尤其是磨削加工带来不少困难。其磨削加工的显着特点是极易发生磨削粘附,堵塞磨具,影响磨削效率和磨削质量,甚至造成不锈钢加工和磨具的“两败俱伤”。

传统磨具对不锈钢加工的堵塞产生机制

迄今为止,人们对不锈钢磨削采用的磨具主要还是陶瓷结合剂氧化铝系列磨具(本文不讨论涂附磨具)。其中多为白刚玉,也有采用单晶刚玉或微晶刚玉的,还有少数使用碳化硅或金刚石磨具的。在磨削过程中往往会发生磨削堵塞的问题。

导致磨具堵塞的因素并不单一,本文侧重于从磨削热作用的角度加以讨论。

众所周知,磨削功率的绝大部分会转化为磨削热,它主要消耗于加热被磨削工件(此处为不锈钢)、磨具和磨屑,还有一部分则通过热辐射方式向磨加工现场周边空间散逸。

国内外研究均证实,磨削工件表面的局部区域及工作磨粒的尖端部分瞬间温度可上千度,而不锈钢在700℃时即开始软化。陶瓷是热导率低的材料,不锈钢的导热性也很差。Al2O3和SiC同样是热导率低的材料(见表1)。

表1 几种非金属材料在室温(20℃)下的热导率
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可以预见,在用陶瓷结合剂氧化铝系列磨具或SiC磨具磨削不锈钢时,其磨削热的积蓄影响将大大强于加工普通结构钢之时。高速运动的Al2O3或SiC磨粒“硬质点”,在高温下已变得软化、“黏糊”的不锈钢表面“挂擦”,不锈钢碎屑包裹住磨具表层磨粒的表面,使磨粒的尖锐微刃减少或丧失微切削作用,从而增大磨具表面与不锈钢表面的摩擦,磨削阻力猛增,发热更加严重,粘附、熔焊、堵塞(粘附型、嵌入型复合堵塞)产生。磨具的磨削效率和效果因而迅速下降,甚至可以出现工件与磨具均被**的结果。为了减少堵塞的负面影响,迫使操作者不时停机对磨具进行修整。

至于金刚石磨具的黏、堵主要是由于不锈钢中多有与金刚石晶格对应度高的元素成分,在高温下,它们将把金刚石“反转化”为石墨。此外,坚硬无比的金刚石也极易在“柔软”的不锈钢表面留下深的切割划痕。

当然,现行不锈钢磨削加工不论在磨具、磨床、冷却液、磨削用量方面的差强人意亟需改进,但研究者和生产者针对实际情况,经长期摸索,仍然获得了一些有助于较合理使用传统磨具对不锈钢材料磨削加工的参数,我们把这些参数列在下面,供有意者参考:

磨削硬度:J、K
磨料粒度:40/50、50/60、60/80
磨具转速:n≧50m/s
磨深:粗磨ap=0.02mm
精磨ap=0.005mm

CBN磨具是磨削不锈钢材料的理想工具

立方氮化硼(CBN)是已知自然界不存在的物质,是优良的无机非金属材料。它的硬度仅次于金刚石(见表2);化学惰性很高,与Fe、C不亲和;导热率也高;解理性优于金刚石,因此磨削时自锐性更好。

表2 几种磨料的硬度比较
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很重要一点是,由于CBN磨料坚硬,微刃极其锋利,磨具表面与不锈钢表面的摩擦阻力大大减小,磨削热的产生也相应减少。加之CBN导热率高,化学惰性高,十分有利于减少磨削粘附、熔焊和堵塞的发生,可以长时间保持磨具的锋利度和良好的加工质量,降低单件加工成本,有利于企业增加效益。值得大力推广使用。
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