难切削材料（高锰钢）加工技术（一）

杨帅

概述　　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%。 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:σb=980 MPa,σs=392 MPa,HB210,δ=80%,αk=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。 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。
8 Q( l) q! [1 p9 `# u( Q9 Q: s, ~高锰钢的切削特点　　(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。 (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。 (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。
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。
高锰钢的切削刀具　　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。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。　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。　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。 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。
/ u# h) r; D- x3 I高锰钢切削刀具参数　　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κr=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κr=45°～60°,精车时可取κr=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,λs =-5°～0°；选用陶瓷刀具时,λs =-10°～-5°。 (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rε=1～2 mm；半精车时rε=0.5～1 mm；精车时rε=0.2～0.5mm。工艺系统刚性好时取大值,反之取小值。 (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bγ1=0.2～0.8 mm,倒棱前角γ01=-10°～-5°；如采用陶瓷刀具,bγ1=0.2 mm,γ01=-20°。
3 R% h, k( }3 \4 |6 j高锰钢的切削用量　　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。
高锰钢切削加工实例  （www.hlcbn.com ）　
工件材质：ZGMn13，表面有夹砂、气孔。
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       刀具：整体立方氮化硼刀片（华菱超硬HLCBN）
　　切削参数：吃到深ap=2-3.5mm；走刀量Fr=0.25mm/r；线速度v=85m/min 。
1 g8 e/ b$ i0 O! N0 E7 X2 S       刀具耐用度:3小时/刃口   
3 W! }( G* p2 s! c' p      
6 W4 P( g* G+ J8 J         

黑色陶瓷车刀

精车的话还是陶瓷刀片比较好些，性价比会高些。

wangnanxiang

谢谢楼主的分享，学习一下

华泰超硬工具

用PCBND刀具效果好，生产效率要提高3倍以上。

huxm0515

不错，学习了，很有感触

jinhuma

很好的文章，谢谢楼主分享

南方祥云

不错，学习了 谢谢