高锰钢的切削加工

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1．高锰钢有哪几种？其性能如何？

    锰含量约为11％～18％的钢称高锰钢。常用的铸造高锰钢ZMn13的化学成分为：Mn含量11％～14％，c含量1.0％～1.4％，Si含量0.3％～1.0％，P含量<0.03％，S含量<0.05％。 5 Q" i* h+ N2 ^) I% S8 Z9 L- d

    高锰钢是一种耐磨钢，经过水韧处理的高锰钢可以得到较高的塑性和冲击韧性。所谓水韧处理，就是把钢加热到1000℃～1100℃，保温一段时间，使钢中的碳化物全部溶入奥氏体中，然后迅速冷却，使碳化物来不及从奥氏体中析出，从而保持了单一的均匀的奥氏体组织。经过水韧处理的高锰钢称为高锰奥氏体钢。其力学性能为：σ_b=980 MPa，σ_s=392 MPa，HB210，δ=80％，α_k=2.94 MJ／m²。

    高锰钢具有很高的耐磨性，虽然它的硬度只有HB210，但它的屈服点σs较低，只有σb的40％，因此具有较高的塑性和韧性。高锰钢在受到外来压力和冲击载荷时，会产生很大的塑性变形或严重的加工硬化现象，钢被剧烈强化，硬度显著提高，可达HB450～550，因此有了较高的耐磨性。 $ Q! X, h, o3 j1 U

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    高锰钢可分为高碳高锰耐磨钢、中碳高锰无磁钢、低碳高锰不锈钢和高锰耐热钢。几种高锰钢的牌号和性能见表5-1。

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    2．高锰钢有哪些切削加工特点？

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    高锰钢锰含量高达11％～18％，具有较高的塑性和韧性，在切削加工中有以下特点： 6 t! I4 u4 B" x- M: J' g$ e& m

    (1)加工硬化严重：高锰钢在切削过程中，由于塑性变形大，奥氏体组织转变为细晶粒的马氏体组织，从而产生严重的硬化现象。加工前硬度一般为HB200～220，加工后表面硬度可达HB450～550，硬化层深度0.1～0.3 mm，其硬化程度和深度要比45号钢高几倍。严重的加工硬化使切削力增大，加剧了刀具磨损，也容易造成刀具崩刃而损坏。

    (2)切削温度高：由于切削功率大，产生的热量多，而高锰钢的导热系数比不锈钢还低，只有中碳钢的1/4，所以切削区温度很高。当切削速度Vc<50 m/min时，高锰钢的切削温度比45号钢高200℃～250 ℃，因此，刀具磨损严重，耐用度降低。 ' N- L4 C0 {* y# {# s) ?0 d" G8 k

    (3)断屑困难：高锰钢的韧性是45号钢的8倍，切削时切屑不易拳曲和折断。 5 T7 F7 q' a: p% I) a1 A

    (4)尺寸精度不易控制：高锰钢的线膨胀系数与黄铜差不多，在高的切削温度下，局部产生热变形，尺寸精度不易控制。切削高锰钢时，应先进行粗加工，工件冷却后再进行精加工，以保证工件的尺寸精度。

    3．怎样通过热处理改善高锰钢的切削性能？

    金属材料的切削性能主要取决于材料的力学、物理性能，如：强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性及线膨胀系数等。通过热处理可以改变金属材料的力学、物理性能，从而改善其切削性能。改善高锰钢的切削性能可以通过高温回火来实现。将高锰钢加热至600℃～650℃，保温两小时后冷却，使高锰钢的奥氏体组织转变为索氏体组织，其加工硬化程度显著降低，加工性能明显改善。加工完成的零件在使用前应进行淬火处理，使其内部组织重新转变为单一的奥氏体组织。

    4．切削高锰钢时怎样选择刀具材料？

    高锰钢属难加工材料，对刀具材料要求较高。一般来说，要求刀具材料红硬性高、耐磨性好，有较高的强度、韧性和导热系数。切削高锰钢可选用硬质合金、金属陶瓷做刀具材科，也可以用CN25涂层刀片或CBN(立方氮化硼)刀具。目前应用最普遍的还是硬质合金，其中YG类硬质合金具有较高的抗弯强度和冲击韧性(与YT类硬质合金比较)，可减少切削时的崩刃。同时，YG类硬质合金的导热性较好，有利于切削热从刀尖散走，降低刀尖温度，避免刀尖过热软化。YG类硬质合金的磨加工性较好，可以磨出锐利的刃口。一般情况下，刀具的耐用度取决于刀具材料的红硬性、耐磨性和冲击韧性。YG类硬质合金中含钴量较多时，抗弯强度和冲击韧性好，特别是提高了疲劳强度，因此适于在受冲击和震动的条件下作粗加工用；含钴量较少时，其硬度、耐磨性和耐热性较高，适合作连续切削的精加工。

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    YT类硬质合金具有较高的硬度和较高的耐热性，但与YG类硬质合金相比，其强度低、脆性大，导热性差。因此，切削高锰钢时通常选用韧性好的YG类硬质合金作刀具材料。应当注意的是，YG类硬质合金不适于高速切削，因为在高速切削钢料时，切削时的高温将使刀具前刀面上形成强烈的月牙洼磨损，并加速后刀面磨损，刀具耐用度降低。在切削速度较高且切削过程较平稳的情况下可考虑选用YT类硬质合金作刀具材料。

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    YG类硬质合金中添加适量的(一般为0.5％～3％左右)TaC(碳化钽)或NbC(碳化铌)，可提高其硬度和耐磨性而不降低其韧性。随着硬质合金中含钴量的增加，这些优点更为显著。因此，以Tac和NbC为添加剂的通用型硬质合金也适于高锰钢的切削加工。

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    切削高锰钢常用的硬质合金牌号有：YG8、YG6A、YG6X、YG8N、YW1、YW2A、YW3、YC45、767、798、813等。

    采用金属陶瓷刀片进行高锰钢的精车、半精车，可选用较高的切削速度，加工表面质量好，刀具耐用度高。例如利用Al₂O₃基陶瓷刀具切削50Mn18Cr4高锰钢比用硬质合金刀具效率提高1～4倍。

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    切削加工高锰钢还可选用CN25涂层刀片和CBN(立方氮化硼)刀具。在使用CBN刀具时应注意被切削材料含锰量不能高于14％，否则，CBN可能与Mn元素产生化学反应使刀具磨损严重，切削性能下降。

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    5．切削加工高锰钢时怎样选择刀具几何参数？

    高锰钢具有较高的塑性和韧性，加工硬化严重，切削温度高，断屑困难，容易造成崩刃，因此合理选择刀具的几何参数尤为重要。

    (1)前角与后角：切削高锰钢时，为了减轻加工硬化，要求刀具保持锋利。但一般不可以采用大前角，因为前角大不利于保证刃口强度和改善散热条件。常采用较小前角或负前角及较大后角，但后角太大也会削弱刃口强度引起崩刃。采用硬质合金刀具时，γ₀=-3°～3°，α₀=8°～12°；采用陶瓷刀具时，γ₀=-5°～-10°，α₀=5°～10°。粗车时取小值，精车时取大值。

    (2)主偏角与副偏角：切削高锰钢时，主偏角应小些，这样可以增加刀具散热面积和刀尖强度，副偏角也不宜过大。选用硬质合金刀具时，一般取κ_r=25°～45°，κ´_r=10°～20°。工艺系统刚性好时取小值，反之可适当加大主偏角和副偏角。选用陶瓷刀具时，主偏角还可大些，一般取κ_r=45°～60°，精车时可取κ_r=60°～90°。

    (3)刃倾角：为了保持刀尖部分的强度，切削高锰钢时一般应选择负刃倾角。选用硬质合金刀具时，λ_s =-5°～0°；选用陶瓷刀具时，λ_s =-10°～-5°。

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    (4)刀尖圆弧半径：切削高锰钢时，不论采用何种刀具材料，刀尖部分都应修磨出较大的圆弧半径，以加强刀尖强度，提高刀具耐用度。一般粗车时r_ε=1～2 mm；半精车时r_ε=0.5～1 mm；精车时r_ε=0.2～0.5mm。工艺系统刚性好时取大值，反之取小值。

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    (5)刃口倒棱：为了保证刃口有足够的强度，减少崩刃现象，一般应将刃口修磨出负倒棱。硬质合金刀具倒棱宽度b_γ1=0.2～0.8 mm，倒棱前角γ₀₁=-10°～-5°；如采用陶瓷刀具，b_γ1=0.2 mm，γ₀₁=-20°。

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    6．切削高锰钢时怎样选择切削用量？

    高锰钢的切削加工性很差，为了维持一定的刀具耐用度，切削速度应低些。采用硬合金刀具时， Vc=20～40 m/min，其中，较低的速度用于粗车，较高的速度用于半精车和精车。采用陶瓷刀具时，可以选用较高的切削速度，一般Vc=50～80 m/min(如用Si3N4陶瓷刀具，Vc≤60 m/min)。

    高锰钢在切削过程中，由于塑性变形和切削力的影响，切削层及表层下一定深度范围内会产生严重的硬化现象。为了使刀尖避开毛坯表层和前一次走刀造成的硬化层，应选择较大的切削深度和进给量。一般粗车时αp =3～6 mm，f=0.3～0.8 mm/r；大件粗车时可取αp =6～10 mm；半精车时αp =1～3 mm；f=0.2～0.4 mm/r；精车时口。≤1 mm；f≤0.2mm/r。

    7．钻高锰钢硬质合金群钻有哪些特点？

    在工程机械、矿山机械和越野车辆的制造中，常采用ZGMn13类高锰钢。ZGMn13高锰钢锰含量达11％～14％，这类钢经过水韧处理后在受到剧烈冲击压力时，会产生很强的硬化现象，硬度可达HB450～550，硬化层深度达0.3 mm左右。高锰钢在受到冲击压力发生变形的过程中，会消耗那些对钢材表面继续作用的冲击力，阻止作用力传到更深的内层去。加之高锰钢的导热系数很低，只有碳钢的1/3～1/4，给切削带来很大困难。特别是钻削时，刀具磨损严重，耐用度较低。因此，常采用硬质合金群钻进行高锰钢的钻削。

    钻高锰钢硬质合金群钻的本体为40Cr制造，切削部分为YG8或YW硬质合金。切削部分形状与铸铁群钻近似，只是将钻尖高h加大到0.08 D，圆弧刃的圆弧半径加大到0.4 D，以加大B点刃尖的刀尖角，提高刀尖强度，改善散热条件，同时也起到分屑作用。同样，在外缘处磨出双重锋角，并磨出负前角，把外缘处后角加大到20°，如图1所示。钻头磨好后，要用油石仔细鐾研刃口，不得有锯齿。

    8．使用硬质合金群钻钻削高锰钢时应注意什么？

    高锰钢具有较高的塑性和韧性，切削温度高，用硬质合金群钻钻高锰钢时，应注意以下问题：

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    (1)合理选择切削用量：切削速度太低或进给量太大，都会使切削力增加，容易造成切削刃崩碎。一般取Vc=30～40m/min，f=0.07～0.1 mm/r。

    (2)要充分使用冷却液：高锰钢的线膨胀系数大，钻孔时应充分使用冷却液，有条件的可将工件浸在冷却液中钻孔，以防止因孔的收缩将钻头咬死损坏。

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    (3)严格控制钻头磨钝标准：钻削过程中如听到刺耳的尖叫声或发现钻头外缘转角处后角和棱边磨损约1 mm时，应及时将钻头进行重磨，否则继续使用会加快钻头磨损以致损坏。

    (4)严禁中途停车：用硬质合金群钻钻削高锰钢时，应采用自动进给，尽量不用手动进给，否则会加重硬化现象，使钻削更加困难。操作中要严禁中途停车，防止因切削力过大造成“闷车”，使钻头崩碎。

    除以上几点外，在使用硬质合金群钻钻削高锰钢时，还要求机床刚性好、振动小。硬质合金的硬度、耐热性比高速钢高，但韧性比高速钢低很多，强烈的振动和切削时的高温，会加快钻头磨损，造成崩刃或开焊，使钻削无法进行。

    9．高锰钢车削实例有哪些?

    工件材料为40Mn18Cr3，刀具材料为YW2，刀具几何参数见图2。切削用量为Vc=45 m/min，αp=4 mm，f=0.2 mm/r。

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