切削高锰钢如何选择刀具材料

切削高锰钢如何选择刀具材料
1、高锰钢的类别与性能
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％。

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。

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。

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。

2、高锰钢的切削加工性能
(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。

3、切削高锰钢时各种刀具材料的特点
高锰钢属难加工材料，对刀具材料要求较高。

一般来说，要求具材料红硬性高、耐磨性好，有较高的强度、韧性和导热系数。

1，高速钢是一种高合金工具钢.能承受切削温度500~600C，目前加工高锰钢基本不能胜任，一般用于制作非标钻头使用。

2,硬质合金刀具加工高锰钢时，一般用于小型零件的加工（大型高锰钢零件选用非金属粘合剂的CBN刀具牌号更合适），据统计，当高锰钢零件单件加工时长小于5min时，可选用硬质合金刀具，粗加工可采用抗冲击韧性较好的YG系列牌号，精加工选用YW系列。

3，陶瓷材料的特点：硬度高（91~94HRA)，耐磨性好，耐热性高(>1200),
允许用较高的切削速度，但脆性大，切削时容易崩刀。

4，立方氮化硼（CBN）材料的特点：硬度高（7300~9000HV)，耐热性高（1300~1500度），耐磨性好，化学稳定性高于金刚石，与铁族金属的亲和力小，切削性能好，一般脆性较大，此时可以选择抗冲击韧性优异的CBN刀具牌号，譬如高锰钢磨辊和高锰钢轧臼壁（破碎机圆锥）零件加工用的BN-K1或BN-S20两种牌号；由于此类非金属粘合剂CBN刀具的韧性和耐磨性的优异，使得可以胜任高锰钢的粗加工和精加工。

4．加工高锰钢时如何确定刀具的切削三要素
切削高锰钢，无论选择什么刀具材料，刀具的切削用量基本按照如下原则进行：粗加工时，应尽量保证较高的金属切除率和必要的刀具耐用度，故一般优先选择尽可能大的切削深度ap，其次选择较大的进给量f，最后根据刀具耐用度要求，确定合适的切削速度。

精加工时，首先应保证工件加工精度和表面质量要求，故一般选用较小的进给量f和切削深度ap，而尽可能选用较高的切削速度υc。

1，切削深度ap的选择
1）切削深度应根据工件的加工余量来确定。

粗加工时，除留下精加工余量外一次走刀应尽可能切除全部余量。

当加工余量过大，工艺系统刚度较低，机床功不足，刀具强度不够或断续切削的冲击振动较大时，可分多次走刀。

切削表面层硬皮的铸锻件时，应尽量使ap大于硬皮层的厚度，以保护刀尖。

2）半精加工和精加工的加工余量一般较小时，可一次切除，但有时为了保证件的加工精度和表面质量，也可采用二次走刀。

2，进给量f的选择
切削深度选定后，接着就应尽可能选用较大的进给量f。

粗加工时，由于作用在工艺系统上的切削力较大，进给量的选取受到下列因素限制；机床—刀具—工件系统的刚度，机床进给机构的强度，机床有效功率与转矩，以及断续切削时刀片的强度。

半精加工和精加工时，最大进给量主要受工件加工表面粗糙度的限制。

工厂中，进给量一般多根据经验按一定表格选取（详见车、钻、铣等各章有关表格），在有条件的情况下，可通过对切削数据库进行检索和优化。

3、切削速度υc的选择
在切削深度ap选定以后，可在保证刀具合理耐用度的条件下，用计算的方法或用表法确定切削速度υc的值。

在具体确定υc值时，一般应遵循下述原则：
1）粗车时，切削深度和进给量均较大，故选择较低的切削速度；精车时，则选择较高的切削速度。

2）刀具材料的切削性能越好时，切削速度也可选得越高。

因此，硬质合金刀具的切削速度可选得比高速钢高度好几倍，而立方氧化硼刀具的切削速度又可选得比硬质合金刀高许多，刀具牌号适用的线速度可参考刀具厂家的推荐参数，华菱BN-S20牌号CBN刀具切削线速度v=60--85m/min；精加工线速度可达v=135m/min。

5、钻削高锰钢的刀具及注意事项
随着刀具材料的发展，使得加工高锰钢已经从90年代的硬质合金刀具发展到目前的非金属粘合剂氮化硼刀具，例如目前广泛应用的BN-S20和BN-k1牌号是一种机夹可转位刀片，广泛用于高锰钢零件的车削和铣削中。

而对于高锰钢零件的钻孔，目前仍采用特殊涂层的高速钢刀具材料和硬质合金刀具材料居多。

1、几种钻ZGMn13钢常用的硬质合金钻头
1）通用硬质合金钻头。

一般采用YG或YW系列牌号的合金，这种钻头采用镶片焊接形式，钻头耐用度高。

为了保持钻头锋利，外缘转角磨损尺寸小于lmm 时就应该及时重磨。

钻削时冷却要充分，不能间断冷却。

2）硬质合金群钻。

这种硬质合金钻头的结构与制造，与通用硬质合金钻头相同。

钻头一般用40Cr制造，刀片材料可用YG8或YW2，若选用齿冠刀头，则钻削效果更好。

适当选择切削用量，可以使切削温度控制在600℃左右范围内，这时加工条件较为有利。

3）无横刃焊接式硬质合金浅孔钻。

这种钻头与通用硬质合金钻头的显著区别在于没有横刃，由于钻头没有横刃，因此钻削时轴向力较小，可降低30～50％。

4）可转位浅孔钻。

可转位浅孔钻的刀具角度由刀槽和刀片两部分构成，所以对于刀体的加工精度要求较高。

钻头在钻削中定心好，切削平稳，加工精度高。

使用过程中须注意，当孔钻通的瞬时，有一薄片飞出，要安全防护。

5）采用加热工艺钻削高锰钢ZGMn13 ：加热方法主要有乙炔一氧气火焰加热法。

应用这种简易加热方法钻削时．将乙炔一氧气气焊枪对准钻孔中心位置加热，范围约为孔直径的2倍，加热到450℃左右，即钢板见红后，离开加热立即下钻，可以采用高转速大进给。

实际证明乙炔一氧气加热钻削高锰钢是一种简单实用效率高的机工方法。

2、用硬质合金群钻钻高锰钢时应注意以下问题：
(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。

(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。

（参考资料：高锰钢加工与切削参数，河南超硬材料研究所华菱超硬刀具2014年）。