304不锈钢材进行高速铣削实验
0Cr18Ni9不锈钢材进行高速铣削实验
1．1 本课题的意义
含铬量大于12%、含镍量大于8%的合金钢称为不锈钢，是特殊性能钢的一种，也是合金钢。由于在钢的FeC3和C基体中加入较多的可熔入基体的金属元素（Cr和Ni），从而改变了合金的物理性质、化学性质和力学性能，特别是增强了抗腐蚀能力，无论在空气中还是在酸、盐的溶液中，均不易氧化生锈。由于其良好的耐腐蚀性、耐热性、低温强度和良好的机械特性，一般使用温度极限小于650℃，广泛应用于核工业、航空制造业、建材、化工和食品加工行业。304不锈钢即0Cr18Ni9，作为应用最为广泛的一种铬—镍不锈钢。
奥氏体不锈钢是当今汽车发动机上使用的最广泛的一种材料,大量用于汽车装演材料，包括铁道车辆和汽车的排气系统；在运输领域，不锈钢在建筑领域，主要用作屋顶、大楼内外装饰和结构材;在厨房器具方面主要有水洗槽和电气、煤气热水器；在工业领域，工业废气、垃圾和污水处理装置需采用不锈钢制造；在航空和航天工业中，不锈钢原材料的价格和可加工性介于铝合金和钛合金之间。不锈钢要比铝合金或钛合金耐腐蚀性强，其工作温度范围也比铝合金或钛合金两者都高。此外不锈钢还广泛用于航空和航天领域中的高温结构、压力容器、流体管道和管接头、紧固件和机械系统。另外，随着电子信息业的发展和普及，对不锈钢的需求也越来越大。
总之，由于不锈钢具有多种其他金属没有的优异性能，是一种具有优异耐久性和再循环的材料，相信今后对应时代的变化，不锈钢将广泛应用于各种领域，研究价值很大。
然而，不锈钢材料韧性大、导热系数低，容易导致加工过程中刀尖处切削温度高，表面硬化严重等问题，对零件加工表面质量和表面完整性有很大的影响，因此对其加工过程进行模拟研究，以防止零件的表面缺陷和零件的维护都有重要意义。所以我们研究不锈钢切削加工工艺对提高切削效率、延长刀具寿命和提高加工精度具有实际意义。
1．2 不锈钢切削加工特点及影响因素
不锈钢在力学性能方面具有高的抗拉强度、屈服强度、延伸率和冲击值，而且其高温强度和硬度也高，在切削不锈钢时具有以下4 个特点[1],即：①切削力大；②切削温度高；③粘刀现象严重；④加工硬化趋势强。由于以上的切削特性，不锈钢在铣削过程中表现出切削功率消耗大，切削温度高的现象和出现刀具寿命短和加工工件表面质量低等现象。与45号钢相比，不锈钢0Crl8Ni9的相对可切削性约在0.3-0.5之间，是一种难切削材料，其难加工性主要影响因素：
1.化学因素
化学因素是影响不锈钢难切削的首要因素。碳元素是不锈钢强度和硬度的主要来源，但影响不锈钢切削特性的不是因为碳元素本身，而主要因为碳化物的存在。此外，不锈钢中的氮元素与铝、钒、钛、铌等元素形成氮化物或碳氮化物，如：AlN、NbN、VN、V等，它们一方面能够起到细化组织，提高不锈钢的强度和韧性，另一方面，从切削的角度看，它们不仅增大了切削力，而且由于铝，钒，钛元素的存在使得与刀具的材料极易发生扩散磨损，产生粘刀现象，出现切屑瘤，严重影响刀具寿命和工件质量。
2.物理因素
（1）不锈钢的导热性
切削工程是刀具与工件不断接触产生相对运动的过程。该过程中会产生热导热性在处理切削热起着很大的作用,当被加工钢材的导热性愈低，由切屑带走的热量就愈少，而刀具上积聚的热量就越多。由于不锈钢的热传导率低，车削时热量难以扩散，致使刀具易于发热。
（2）不锈钢的加工硬化
随着硬化后强度的提高，屈服极限也升高。例如退火状态奥氏体不锈钢的屈服强度不超过抗拉强度的30%～45%，而加工硬化后达85％～95%，不仅使切削力大大增加，而且使刀具和被切金属间的摩擦力以及刀具的磨损加剧，同时，使表面质量降低。此外，硬化层深度也比加工一般钢材大，给以后切削加工带来困难，增加了刀具的磨损。
综上所述，0Crl8Ni9不锈钢的切削加工性很差，特别是在断续切削时，刀具极易产生磨损，刀具使用寿命很低，影响加工效率、加工成本、加工精度和表面质量。
1．3 304不锈钢切削力的研究现状
目前对304不锈钢材料的研究主要集中动态再结晶晶粒、残余应力、应力腐蚀、疲劳和断裂等方面。切削过程中的切削力是对机床加工精度、零件表面质量、机床震动、刀具寿命等进行控制的重要参数。切削力预测对于机床和刀具结构的设计、零件成型表面特性的优化以及加工过程的控制，进而提高生产效率和加工质量有着重要作用。目前，科学研究中常用的切削力预测方法主要有基于实验结果的经验模型、基于切削过程的分析模型和有限元分析数值模型这三大类[2]。经验模型主要是利用概论统计与回归分析方法，应用大量的多因素正交回归试验建立切削力与切削参数之间的通用指数关系形式。经验模型建立需要对不同加工情况进行多次重复测量，对实验测量得到的大量数据，进行数据分析和处理，这种方法最大的缺点就是需要花费大量的时间和费用，而且对于不同的材料需要单独进行，不具有针对切削过程的通用性。随着有限元技术的不断发展，有限元分析数值模型(FEM)在切削过程研究中也得到了广泛的应用，国内外很多学者已经利用有限元法对不同材料不同加工方式的切削力计算做了很多研究。D.Umbrello 等利用有限元方法研究了不同条件下获得的 316L 材料参数对切削过程中切削力、切削温度、切屑形态、残余应力预测的影响。E.Ceretti 利用有限元方法对直角切削过程进行了仿真，并预测了相关的切削变量和锯齿形切屑的形成。有限元方法相对于经验模型更适宜于切削过程细节，比如：切削过程中切屑的形成、切削温度的分布、残余应力的分布、以及切削过程中的工件和刀具的变形等的研究，这一方面是其他两种方法所没有的。但对于较特殊零件的有限元模型计算过程通常都非常耗时，而且有限元分析中不同网格属性对最终的结果也会有很大的影响。分析模型通常计算快，机理明确，易于设计控制算法。随着近年来高速切削加工自动化和生产效率日益提高的需要，对易切削不锈钢的数量需求日益增加。要提高材料切削性能，可以添加硫、硒、铅、钙、磷等一种或多种元素。
1．4 本课题研究内容及方法
本文主要研究内容是304不锈钢薄壁零件的高速铣削切削力研究。并选取对加工过程、制定工艺规程具有很大影响的切削力作为研究对象，分析304不锈钢在高速切削过程中的切削力的影响因素，包括主轴转速n、进给速度vf、轴向切深ap、径向切深ae。切削力是影响工件加工质量的主要影响因素，通过对切削力大小变化规律的分析可以较直观的反映加工质量。主要研究方法是利用我校数字化制造技术重点实验室购置的YDCB-III05三向动态测力仪及其附件，在数字化制造技术重点建设实验室的Mikron DURO 800高速加工中心上进行加工试验，获取某不锈钢铣削加工过程中的切削力，并在离线后进行数据处理，掌握线性回归方法的应用，得到该不锈钢加工时的相关参数，进行相关工艺研究，如经验公式的验证。并利用DEFORM有限元分析软件对加工过程进行分析，如对材料温度的变化。
1．5 工作内容
本课题的主要研究目的是通过304不锈钢铣削加工实验来获得铣削过程中的切削力，分析切削用量对切削力的影响，同时利用DEFORM有限元软件进行验证分析，为以后的不锈钢加工提供有益的参考，减少实验费用。
全文分三章来介绍课题的研究工作成果：
第一章 绪论。简要介绍了课题研究的意义，不锈钢切削加工的特点和研究现状，说明我们对不锈钢高速加工工艺的研究具有实际的意义；然后介绍了本课题研究的内容和方法。
第二章 304不锈钢材料切削加工及其理论分析。通过对304不锈钢工件进行铣削实验，获得不同切削用量下的切削力，然后根据获得的切削力数据建立切削力指数模型，将切削用量带入模型求得切削力的计算值，并与实际值进行比较，验证模型的准确性；通过单因素实验，获得数据并进行回归分析，得到各切削用量对切削力的影响。
第三章 切削过程的有限元模拟及分析。通过DEFORM有限元分析软件对304不锈钢的铣削过程进行模拟，得到了切削力以及工件表面的温度分布情况，根据模拟的结果得到的切削过程中的切削力数据，并与实验得到的切削力数值进行比较，验证利用有限元分析软件模拟切削过程的可行性，为以后的模拟分析打下理论基础。
1．1 本课题的意义
含铬量大于12%、含镍量大于8%的合金钢称为不锈钢，是特殊性能钢的一种，也是合金钢。由于在钢的FeC3和C基体中加入较多的可熔入基体的金属元素（Cr和Ni），从而改变了合金的物理性质、化学性质和力学性能，特别是增强了抗腐蚀能力，无论在空气中还是在酸、盐的溶液中，均不易氧化生锈。由于其良好的耐腐蚀性、耐热性、低温强度和良好的机械特性，一般使用温度极限小于650℃，广泛应用于核工业、航空制造业、建材、化工和食品加工行业。304不锈钢即0Cr18Ni9，作为应用最为广泛的一种铬—镍不锈钢。
奥氏体不锈钢是当今汽车发动机上使用的最广泛的一种材料,大量用于汽车装演材料，包括铁道车辆和汽车的排气系统；在运输领域，不锈钢在建筑领域，主要用作屋顶、大楼内外装饰和结构材;在厨房器具方面主要有水洗槽和电气、煤气热水器；在工业领域，工业废气、垃圾和污水处理装置需采用不锈钢制造；在航空和航天工业中，不锈钢原材料的价格和可加工性介于铝合金和钛合金之间。不锈钢要比铝合金或钛合金耐腐蚀性强，其工作温度范围也比铝合金或钛合金两者都高。此外不锈钢还广泛用于航空和航天领域中的高温结构、压力容器、流体管道和管接头、紧固件和机械系统。另外，随着电子信息业的发展和普及，对不锈钢的需求也越来越大。
总之，由于不锈钢具有多种其他金属没有的优异性能，是一种具有优异耐久性和再循环的材料，相信今后对应时代的变化，不锈钢将广泛应用于各种领域，研究价值很大。
然而，不锈钢材料韧性大、导热系数低，容易导致加工过程中刀尖处切削温度高，表面硬化严重等问题，对零件加工表面质量和表面完整性有很大的影响，因此对其加工过程进行模拟研究，以防止零件的表面缺陷和零件的维护都有重要意义。所以我们研究不锈钢切削加工工艺对提高切削效率、延长刀具寿命和提高加工精度具有实际意义。
1．2 不锈钢切削加工特点及影响因素
不锈钢在力学性能方面具有高的抗拉强度、屈服强度、延伸率和冲击值，而且其高温强度和硬度也高，在切削不锈钢时具有以下4 个特点[1],即：①切削力大；②切削温度高；③粘刀现象严重；④加工硬化趋势强。由于以上的切削特性，不锈钢在铣削过程中表现出切削功率消耗大，切削温度高的现象和出现刀具寿命短和加工工件表面质量低等现象。与45号钢相比，不锈钢0Crl8Ni9的相对可切削性约在0.3-0.5之间，是一种难切削材料，其难加工性主要影响因素：
1.化学因素
化学因素是影响不锈钢难切削的首要因素。碳元素是不锈钢强度和硬度的主要来源，但影响不锈钢切削特性的不是因为碳元素本身，而主要因为碳化物的存在。此外，不锈钢中的氮元素与铝、钒、钛、铌等元素形成氮化物或碳氮化物，如：AlN、NbN、VN、V等，它们一方面能够起到细化组织，提高不锈钢的强度和韧性，另一方面，从切削的角度看，它们不仅增大了切削力，而且由于铝，钒，钛元素的存在使得与刀具的材料极易发生扩散磨损，产生粘刀现象，出现切屑瘤，严重影响刀具寿命和工件质量。
2.物理因素
（1）不锈钢的导热性
切削工程是刀具与工件不断接触产生相对运动的过程。该过程中会产生热导热性在处理切削热起着很大的作用,当被加工钢材的导热性愈低，由切屑带走的热量就愈少，而刀具上积聚的热量就越多。由于不锈钢的热传导率低，车削时热量难以扩散，致使刀具易于发热。
（2）不锈钢的加工硬化
随着硬化后强度的提高，屈服极限也升高。例如退火状态奥氏体不锈钢的屈服强度不超过抗拉强度的30%～45%，而加工硬化后达85％～95%，不仅使切削力大大增加，而且使刀具和被切金属间的摩擦力以及刀具的磨损加剧，同时，使表面质量降低。此外，硬化层深度也比加工一般钢材大，给以后切削加工带来困难，增加了刀具的磨损。
综上所述，0Crl8Ni9不锈钢的切削加工性很差，特别是在断续切削时，刀具极易产生磨损，刀具使用寿命很低，影响加工效率、加工成本、加工精度和表面质量。
1．3 304不锈钢切削力的研究现状
目前对304不锈钢材料的研究主要集中动态再结晶晶粒、残余应力、应力腐蚀、疲劳和断裂等方面。切削过程中的切削力是对机床加工精度、零件表面质量、机床震动、刀具寿命等进行控制的重要参数。切削力预测对于机床和刀具结构的设计、零件成型表面特性的优化以及加工过程的控制，进而提高生产效率和加工质量有着重要作用。目前，科学研究中常用的切削力预测方法主要有基于实验结果的经验模型、基于切削过程的分析模型和有限元分析数值模型这三大类[2]。经验模型主要是利用概论统计与回归分析方法，应用大量的多因素正交回归试验建立切削力与切削参数之间的通用指数关系形式。经验模型建立需要对不同加工情况进行多次重复测量，对实验测量得到的大量数据，进行数据分析和处理，这种方法最大的缺点就是需要花费大量的时间和费用，而且对于不同的材料需要单独进行，不具有针对切削过程的通用性。随着有限元技术的不断发展，有限元分析数值模型(FEM)在切削过程研究中也得到了广泛的应用，国内外很多学者已经利用有限元法对不同材料不同加工方式的切削力计算做了很多研究。D.Umbrello 等利用有限元方法研究了不同条件下获得的 316L 材料参数对切削过程中切削力、切削温度、切屑形态、残余应力预测的影响。E.Ceretti 利用有限元方法对直角切削过程进行了仿真，并预测了相关的切削变量和锯齿形切屑的形成。有限元方法相对于经验模型更适宜于切削过程细节，比如：切削过程中切屑的形成、切削温度的分布、残余应力的分布、以及切削过程中的工件和刀具的变形等的研究，这一方面是其他两种方法所没有的。但对于较特殊零件的有限元模型计算过程通常都非常耗时，而且有限元分析中不同网格属性对最终的结果也会有很大的影响。分析模型通常计算快，机理明确，易于设计控制算法。随着近年来高速切削加工自动化和生产效率日益提高的需要，对易切削不锈钢的数量需求日益增加。要提高材料切削性能，可以添加硫、硒、铅、钙、磷等一种或多种元素。
1．4 本课题研究内容及方法
本文主要研究内容是304不锈钢薄壁零件的高速铣削切削力研究。并选取对加工过程、制定工艺规程具有很大影响的切削力作为研究对象，分析304不锈钢在高速切削过程中的切削力的影响因素，包括主轴转速n、进给速度vf、轴向切深ap、径向切深ae。切削力是影响工件加工质量的主要影响因素，通过对切削力大小变化规律的分析可以较直观的反映加工质量。主要研究方法是利用我校数字化制造技术重点实验室购置的YDCB-III05三向动态测力仪及其附件，在数字化制造技术重点建设实验室的Mikron DURO 800高速加工中心上进行加工试验，获取某不锈钢铣削加工过程中的切削力，并在离线后进行数据处理，掌握线性回归方法的应用，得到该不锈钢加工时的相关参数，进行相关工艺研究，如经验公式的验证。并利用DEFORM有限元分析软件对加工过程进行分析，如对材料温度的变化。
1．5 工作内容
本课题的主要研究目的是通过304不锈钢铣削加工实验来获得铣削过程中的切削力，分析切削用量对切削力的影响，同时利用DEFORM有限元软件进行验证分析，为以后的不锈钢加工提供有益的参考，减少实验费用。
全文分三章来介绍课题的研究工作成果：
第一章 绪论。简要介绍了课题研究的意义，不锈钢切削加工的特点和研究现状，说明我们对不锈钢高速加工工艺的研究具有实际的意义；然后介绍了本课题研究的内容和方法。
第二章 304不锈钢材料切削加工及其理论分析。通过对304不锈钢工件进行铣削实验，获得不同切削用量下的切削力，然后根据获得的切削力数据建立切削力指数模型，将切削用量带入模型求得切削力的计算值，并与实际值进行比较，验证模型的准确性；通过单因素实验，获得数据并进行回归分析，得到各切削用量对切削力的影响。
第三章 切削过程的有限元模拟及分析。通过DEFORM有限元分析软件对304不锈钢的铣削过程进行模拟，得到了切削力以及工件表面的温度分布情况，根据模拟的结果得到的切削过程中的切削力数据，并与实验得到的切削力数值进行比较，验证利用有限元分析软件模拟切削过程的可行性，为以后的模拟分析打下理论基础。
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