(完整版)904L不锈钢概述

904L不锈钢概述

904L不锈钢的牌号为00Cr20Ni25Mo4.5Cu，是一种含碳量很低的高合金化的超级奥氏体不锈钢。在稀硫酸中有很好的抗腐蚀性，铜的加人使它具有很强的抗酸能力，专为腐蚀条件苛刻的环境而设计。因此这种不锈钢主要用于抗腐蚀压力容器的制造。904L的成分以Cr、Ni等元素为主，属于难加工材料，切削加工性较差，主要原因如下。

1）904L不锈钢较之其他种类不锈钢，切削力更大。因为904L硬度虽然不高（70—90HRB），但塑性较好，延伸率≥40%，断面收缩率≥50%，抗拉强度σb≥490MP a，屈服强度σ0.2≥216MPa，因而在切削过程中塑性变形大，使切削力增加。

2）导热系数低。904L不锈钢的热导率（20℃时）为12.9W/（m·K），导热系数低，只有45钢的1/4左右（45钢的热导率为47.5W/（m·K））。导热性是影响切削热传导的主要因素之一，被加工材料的导热性越低，由切屑和工件带走的热量就愈少，而刀具上积聚的热量就越多，使刀具极易磨损。

3）易生成积屑瘤。由于904L不锈钢韧性大，所以在切削过程中与刀具材料的亲和力强，切削时刀具的前刀面与切屑底层金属发生强烈摩擦，在高温高压的作用下会产生粘附现象，生成积屑瘤，不易获得表面粗糙度要求高的加工表面。

4）切屑不易弯曲折断。904L不锈钢的材料延伸率高，所以在切削过程中切屑不易弯曲而折断。如果不采取适当措施，会影响切削过程的正常进行，而且容易划伤已加工表面，甚至还会使刀具崩刃和损坏。

由于904L不锈钢的以上特点，在用常规刀具和传统方法对其进行切削时，即使选择非常小的切削用量，刀具仍然极易磨损，加工效率低，且工件很难达到图样所要求的表面粗糙度和加工精度。在这种背景下，笔者尝试借鉴先进的高速切削理念，进行904L不锈钢的铣削加工。从理论上分析，在高速切削加工范围，随切削速度提高，切削力随之减少，有利于奥氏体不锈钢零件的切削加工。高速切削加工时，切屑以很高的速度排出，带走大量的切削热，切削速度提高愈大，带走的热量愈多，传给工件的热量大幅度减少，有利于降低切削刀具上积聚的热量。高速切削加工时，转速的提高，使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的加工表面粗糙度对低阶固有频率最敏感，因此高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。

2 高速切削刀具系统设计

要实施高速切削，刀具是最活跃的因素，加工表面的形成主要依赖刀具的切削作用。常规刀具无法进行904L的高速切削加工，必须选择与高速切削相适应的刀具材料、刀具结构和刀柄系统，并应考虑高速切削刀具的动平衡问题。

2.1 刀具材料

根据904L不锈钢的切削加工特点，在进行切削时应选择硬度高、耐磨性好、导热好、耐用度高、与不锈钢粘附性小的刀具。而且刀具在高速切削时，要承受比常规切削更高的温度和压力，更剧烈的摩擦、冲击和振动作用，会加速刀具磨损。因此高速切削刀具材料的选择除了要具备切削不锈钢材料的基本性能外，还要求刀具材料具备更高的可靠性、更高的耐热性、抗热冲击性及良好的高温力学性能。

用高速钢刀具切削904L不锈钢时，宜采用粉末冶金高速钢、含钴高速钢或含铝超硬高速钢，但只适用低速切削；用硬质合金刀具切削904L时，普通牌号例如YG6、YG8，只能用于常规低速加工。904L的高速切削加工必须采用特殊材质的刀具，才能保证零件最终的加工精度和表面质量。可用于904L不锈钢高速切削的刀具材料主要有涂层硬质合金、超细晶粒硬质合金及金属陶瓷刀具等。下面简要介绍三种牌号刀具，并将在下文铣削试验中对各自的切削性能进行比较。

2.1.1 T1200A

T1200A属于金属陶瓷刀具，价格昂贵。金属陶瓷刀具并不是常说的以Al2O3为主要成分的陶瓷刀具，而是指TiC基硬质合金、TiN基硬质合金及TiCN基硬质合金。其性能介于陶瓷和WC基硬质合金之间，硬度（90～94HRA）高于YG类硬质合金，稍低于陶瓷刀具，但强度和韧性高于陶瓷。T1200A属于精磨刀具，无涂层，适合加工特殊形状的表面，并能达到较高的加工精度和较低的表面粗糙度。

2.1.2 Carmet310

Carmet310属于超细晶粒硬质合金，它具有硬质合金的高硬度和高速钢的强度。一般来说，硬质合金中WC的品粒平均尺寸缩小5倍，耐磨性可以提高10倍，所以这种合金的刀具耐用度很高，长时问使用磨损很小。由于不含钛，特别适合加工高温合金和不锈钢材料。Carmet3l0也是经过精密刃磨的刀具，无涂层。

2.1.3 GC1025

属于TiC涂层硬质合金，相比普通硬质合金具有较高的耐磨性

2.2 刀具结构设计

由于904L不锈钢属于比较特殊的材料，所以在充分考虑高速切削条件的情况下，还要优化刀具结构，以提高刀具的切削性能、可靠性和寿命。本文用于铣削试验的三种牌号刀具T1200A、Carmet310和GC1025，在结构设计时主要考虑以下几点。

1）刀体材料选用密度小、质量较轻的高强度铝合金，可以减轻所承受离心力的作用。

2）选用机夹式刀具结构，刀体与刀片之间的连接配合封闭，并使夹紧机构有足够的夹紧力。

3）由于904L不锈钢的切屑不易弯曲折断，刀片结构应设计有容屑槽，并具备一定的断屑功能，使排屑断屑流畅。

三种牌号刀片都有容屑断屑设计，但结构不尽相同。

2.3 高速刀柄系统

常规切削使用的7∶24锥度刀柄有ISO、BT、SK等不同类型，适用范围也不同。但这种刀柄与机床主轴的连接只是靠锥面定位，无端面定位结构，主轴端面与刀柄法兰端面间有较大间隙，不适宜在高速切削条件下使用。

目前高速切削多采用1∶10中空短锥刀柄，这种刀柄由锥面（径向）和法兰端面（轴向）共同实现与主轴的刚性连接，由锥面实现刀具与主轴之间的同轴度，锥柄的锥度为1∶10。1∶10刀柄主要有德国的HSK系列、美国的KM系列、日本的NC5系列和瑞典的CAPTO 四大系列。其中，HSK工具系统应用范围最广，并且已成为ISO标准。HSK刀柄的接口采用锥面和端面两面同时定位的方式，刀柄为中空，锥体长度较短，有利于实现换刀轻型化及高速化。由于采用端面定位，完全消除了轴向定位误差，适合高速、高精度加工。

由于刀柄在主轴中的定位方式属于过定位，所以安装时必须严格控制锥面基准线与法兰端面的轴向位置精度，与之相应的主轴也必须控制这一轴向精度，所以其制造工艺难度较大。加之HSK刀柄锥度较小，接近于直柄，所以这种刀柄的修复重磨很困难，比起普通标准7：24刀柄，成本高，价格约为普通刀柄的2倍左右。

2.4 刀具的动平衡

高速切削与常规切削相比，工艺系统中的工件、夹具和刀具积聚着更大的能量，承受很大的离心力。任何旋转体的不平衡所引起的离心力会随着转速的升高，以平方关系增大。而旋转刀具系统由于其结构与机床连接的特殊性，即使不平衡量很小，也会在高速切削时产生很大的离心力，从而引起机床振动，加剧刀具磨损，影响工件的加工精度和表面质量。所以用于高速切削的回转刀具都必须经过动平衡测试，并应达到IS01940/1规定的G40平衡质量等级，经过测试达到要求才能用于高速切削。为此，在机夹刀具的结构上要设置可调节动平衡的部位。

3 铣削试验

铣削试验采用可转位端铣刀（Ф40mm，3齿），结构如图1所示。刀柄采用HSK的1∶10中空短锥刀柄。加工前对刀具进行动平衡测试，不平衡量符合规定要求。试件为80mm×80mm的坯料。切削参数：主轴转速为5000r/min，切削速度为628m/min，进给速度为20m/min，切削深度为0.8mm，干式切削。所用机夹刀片的材料分别为GC1025、Carmet310和T1200A，其加工性能及效果比较如表1所示。

图1可转位端铣刀结构

从试验结果可知，由于在铣削加工中，切削刀具的磨损和缺损一般是因刀口热裂纹的扩散传播所致。所以，对不锈钢这种在加工过程中产生高温的被加工材料，涂层硬质合金刀具显得不太适合；而超细晶粒硬质合金和金属陶瓷刀具在高速切削904L奥氏体不锈钢时，具有良好的抗月牙洼磨损和抗边界沟槽磨损性能，刀具耐用度较高。而且能得到较好的加工精度和表面粗糙度，可以说是目前加工这种难加工材料较为理想的刀具材料。

表1三种牌号刀具加工性能及效果比较

牌号加工性能比较

加

工

精

度

Ra/μm

刀具耐

用度（连

续切削）

/h Carmet310

抗边界磨损能力较强，耐磨性较好。刀具前角较大，

尺寸控制能力很好。排屑槽设计比较合理，排屑流畅，

非常适合自动加工

较

高

0.8 10.8

T1200A

耐磨性和抗月牙洼磨损能力强，具有较高的耐磨性、

耐热性和抗氧化能力，与工件亲和力小，摩擦因数小。

前角较大，非常锋利。切削速度最高可达800m/min

较

高

0.8 11.4

GC1025 比其他两种刀具不够锋利，控制尺寸性能较弱

较

低

1.6 8.5

4 结语

采用高速切削技术对904L不锈钢进行加工，无论是加工效率、加工成本，还是加工精度、表面粗糙度和刀具耐用度，相比传统切削方法都有了质的飞跃。

实验证明，运用先进的数控机床和高速刀具系统，加工904L不锈钢是完全可行的。