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高强度钢和超高强度钢的切削加工

郑文虎张玉林詹明荣

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1 什么是高强度钢和超高强度钢？

所谓高强度钢，是指那些在强度和韧性方面结合很好的钢种。低合金结构钢，经调质处理后，具有很好的综合力学性能。其抗拉强度σb＞1200MPa时，叫高强度钢；其抗拉强度σb＞1500MPa时，称为超高强度钢。

超高强度钢，视其合金含量的多少，可分为低合金超高强度钢(合金含量不大于6%)、中合金超高强度钢和高合金超高强度钢。

含一种合金元素的高强度合金钢有铬钢、镍钢、锰钢等；含两种合金元素的合金钢有铬镍钢、铬锰钢、铬钼钢等；含三种以上合金元素的高强度合金钢有铬锰硅钢、铬镍钨钢、铬镍钼钢、铬锰钛钢、铬锰钼钒钢等。

高强度钢和超高强度钢的原始强度和硬度并不高，但是经过调质处理后可获得较高的强度，硬度在HRC30～50之间。

钢的抗拉强度与硬度之间存在一定的关系。一般来说，硬度提高强度也随之增高，但不能说高强度钢就是高硬度钢。所谓高强度钢和超高强度钢，是指综合性能而言的。淬火钢的硬度很高，但不能称为高强度钢和超高强度钢，其原因是它的综合性能不好，几乎没有塑性，韧性也很差，只能作耐磨零件和工具。

2 高强度钢和超高强度钢有哪些切削特点？

高强度钢和超高强度钢，由于加入不同量的合金元素，经热处理后，Si、Mo、Ni等元素使固溶体强化，金相组织多为马氏体，具有很高的强度(最高可达1960MPa)和较高的硬度(HRC＞35)，冲击韧性高于45号钢，切削时具有以下特点：

1) 刀具易磨损、耐用度低：高强度钢和超高强度钢，调质后的硬度一般在HRC50以下，但抗拉强度高，韧性也好。在切削过程中，刀具与切屑的接触长度小，切削区的应力和热量集中，易造成前刀面月牙洼磨损，增加后刀面的磨损，导致刃口崩缺或烧伤，刀具的耐用度低。

2) 切削力大：高强度钢和超高强度钢的剪切强度高，变形困难，切削力在同等的切削条件下，比切45号钢的单位切削力大1.17～1.49倍。

3) 切削温度高：这两种钢的导热性差，切削时切屑集中于刃口附近很小的接触面内，使切削温度增高。如45号钢的导热系数为50.2 W/(m·K)，而38CrNi3MoVA的导热系数为29.3 W/(m·K)，仅为45号钢的60%，切削38CrNi3MoVA时的切削温度比切削45号钢的切削温度高100℃左右。切削温度高，刀具磨损加剧。

4) 断屑困难：由于高强度钢和超高强度钢具有良好的塑性和韧性，所以切削时切屑不易拳曲和折断。切屑常缠绕在工件和刀具上，影响切削的顺利进行。

3 切削高强度钢和超高强度钢时怎样选择刀具材料？

高强度钢和超高强度钢具有很高的强度和硬度，切削时要求刀具应具有较高的红硬性、耐磨性及冲击韧性，而且不易产生粘结磨损和扩散磨损。粗加工和断续切削时，要求刀具具有抗热冲击性能。除金刚石刀具外，各种刀具材料均可以切削，在选择刀具材料时，应根据切削条件合理选择。

1) 高速钢：选用高性能高速钢切削高强度钢和超高强度钢，应根据工件材料的性能、形状、加工方法和工艺系统刚性等特点，全面考虑刀具材料的耐热性、耐磨性和韧性等。当工艺系统刚性较好、刀具型面简单时，可采用钨系、钨钼系高钒高钴高速钢；型面复杂时，可采用钨钼系、高碳低钒含铝高速钢或钨钼系高碳低钒高钴高速钢；当工艺系统刚性较差时，可采用钨钼系低钒含铝高速钢及钨钼系低钒高钴高速钢；在冲击切削条件下，宜采用钨钼系高钒高速钢、钨钼系含铌高速钢或钨钼系含铝高速钢。不同的切削方式切削高强度钢和超高强度钢时，高速钢牌号的选择见表1。

表1 高速钢牌号的选择

刀具类型	刀具材料
车刀	W9Mo3Cr4V3Co10 W12Mo3Cr4V3Co5Si W2Mo9Cr4VCo8 W10Mo4Cr4V3Co4Nb W10Mo4Cr4V3Al W6Mo5Cr4V2Al W18Cr4V4SiNbAl
铣刀	W2Mo9Cr4VCo8 W12Mo3Cr4V3Co5Si W9Mo3Cr4V3Co10 W10Mo4Cr4V3Co4Nb W10Mo4Cr4V3Al W6Mo5Cr4V2Al W18Cr4V4SiNbAl W6Mo5Cr4V5SiNbAl
成形铣刀	W2Mo9Cr4VCo8 W12Mo3Cr4V3Co5Si W10Mo4Cr4V3Co4Nb W10Mo4Cr4V3Al W10Mo4Cr4V3Al W6Mo5Cr4V2Al W6Mo5Cr4V5SiNbAl
拉刀	W2Mo9Cr4VCo8 W12Mo3Cr4V3Co5Si W10Mo4Cr4V3Al W10Mo4Cr4V3Al W6Mo5Cr4V2Al W6Mo5Cr4V5SiNbAl
齿轮刀具	W6Mo5Cr4V2Al W2Mo9Cr4VCo8 W12Mo3Cr4V3Co5Si W10Mo4Cr4V3Co4Nb W9Mo3Cr4V3Co10
螺纹刀具	W6Mo5Cr4V2Al W2Mo9Cr4VCo8 W12Mo3Cr4V3Co5Si W10Mo4Cr4V3Co4Nb W9Mo3Cr4V3Co10

2) 粉末冶金高速钢和TiN涂层高速钢：粉末冶金高速钢，是由高速钢粉末在高温(1100℃)、高压(100MPa)下直接压制，再锻造成所需要的刀具形状，加工淬火后刃磨而成。它具有硬度高、高温硬度好、耐磨性好的特点，适用于高强度钢和超高强度钢的切削。如原冶金部钢铁研究总院生产的FW12Cr4V5C05(FT15)和FW 10Mo5Cr4V2Co12等。

高速钢刀具TiN涂层，可以延长刀具耐用度2～3倍，提高切削速度25%。常用的涂层高速钢刀具有：麻花钻、立铣刀、丝锥、齿轮滚刀、铰刀和插齿刀等。

3) 硬质合金：根据硬质合金的性能，它是切削高强度和超高强度钢的主要刀具材料。一般应选新型高性能硬质合金或涂层硬质合金。

4) 陶瓷刀具：它的硬度和耐热性高于硬质合金，允许的切削速度比硬质合金高1～2倍。在高强度钢和超高强度钢的切削中，陶瓷刀具主要用于车削和平面铣削的半精加工和精加工中。推荐选用Al2O3～TiC系列陶瓷，如AT6、AG2、T8、LT35、LT55等。

5) 立方氮化硼(CBN、PCBN)：这种刀具的硬度、耐磨性及耐热性很高，PCBN的强度也很高，达1500 MPa，适用于高强度钢和超高强度钢的车削和铣削，主要用于半精加工和精加工。

4 切削高强度钢和超高强度钢时怎样选择刀具几何参数？

切削高强度钢和超高强度钢，刀具几何参数的选择原则与加工一般钢材相同。但由于这种钢材的切削特点，应注意刀刃和刀尖部分的强度，以保证刀具有一定的耐用度。

刀具的耐用度，随着刀具的前角和后角改变而变化。前角大，刃口强度低，容易造成崩刃。后角小，增大了刀具与工件的摩擦，使切削温度增高，加剧刀具磨损。所以在切削时，应采用较小的前角或负前角及较大的后角。采用硬质合金刀具时，g₀=4°～6°，a₀=8°～12°；车削超高强度钢时，选用负前角，一般为g₀=-2°～-4°。切削刃应鐾出负倒棱，一般为g₀₁=-5°～-15°，b_g=(0.5～0.8)f。这样既可以加强刀刃，又不致使切削力增大。

为了加强刀尖强度，刀尖圆弧半径应比加工一般钢材大一些。粗加工时，r_e=1～2 mm；精加工时，r_e=0.5～0.8 mm。

在车削和铣削高强度钢或超高强度钢时，高速钢、硬质合金、陶瓷、CNB刀具的几何参数见表3、表4。

表3 车刀几何参数推荐表

刀具角度	刀具材料
刀具角度	高速钢	硬质合金	CBN	陶瓷
g₀	3°～12°	-4°～6°	-8°～-12°	-15°～-4°
a₀	5°～10°	6°～12°	10°～15°	6°～10°
l_s	4°～2°	-12°～0°	-10°～0°	-20°～-2°

表4 铣刀几何参数推荐表

刀具材料		刀具角度(°)
刀具材料		g₀	l_s	a₀	k_r	g_p	g_f	b
硬质合金	面铣刀	-15～-6	-12～-3	8～12	30～75	-15～-6	-12～-3	-
硬质合金	立铣刀	-	-	4～10	90	-15～-5	-10～-3	-
高速钢立铣刀		-	-	7～10	90	-	3～5	30～35
陶瓷面铣刀		-20～-8	-12～-3	4～10	30～75	-	-	-

5 切削高强度钢和超高强度钢时怎样选择切削用量？

各种高强度钢和超高强度钢中的合金元素种类与含量不同，热处理后的力学物理性能差异也很大，因此应根据不同的切削对象合理选择切削用量。选择切削用量的基本原则与一般切削相同。

切削高强度钢时的切削速度应比加工一般钢材低些，为切削45号钢的切削速度的50%左右。加工超高强度钢应更低一些，为切削45号钢的切削速度的30%。采用高速钢刀具时，V_c=3～11m/min，f=0.03～0.3mm/r，a_p=0.3～2mm；采用陶瓷刀具切削时，V_c=70～210m/min，f=0.05～1mm/r，a_p=0.1～4mm；采用CBN(或PCBN)切削时，V_c=40～220m/min，f=0.03～0.3mm/r，a_p≤0.8 mm。

采用硬质合金刀具车削时，粗车或荒车时，V_c=10～90m/min，f=0.3～1.2mm/r，a_p=4～20 mm；半精车时，V_c=30～140m/min，f=0.15～0.4mm/r，a_p=1～4pmm；精车时，V_c=70～120m/min，f=0.05～0.2mm/r，a_c=0.05～1.5mm。在选择切削速度时，应考虑材料的强度，一般σ_b=1000～1500MPa时，V_c=85～40m/min，σ_b=1500～1700MPa时，V_c=58～35m/min；σ_b=2000～2150MPa时，V_c=35～10m/min。

（图片）

陶瓷刀具车削

6 怎样解决切削高强度钢和超高强度钢时的断屑问题？

切削高强度钢和超高强度钢时的断屑问题，是影响加工效率和生产自动化的重要问题。同时，解决好断屑问题，也是提高加工质量和刀具耐用度的重要手段。因此必须根据切削的条件和加工方式，选择有效的断屑措施。

1) 利用刀片断屑槽断屑：这种方法是最常用而比较简单的断屑方法。常用的刀具都可以磨出一定的槽型，但一般一种槽型只能针对一种或几种工件材料，在一定的切削用量范围内断屑。焊接式硬质合金刀具，可以磨成槽底为圆弧槽，前宽深后窄浅的锥形槽、弧形槽、腰鼓形槽、棱形凸面槽等，见图1和图2。锥形断屑槽刃磨起来比较容易，其几何参数见表5。

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图1 锥形断屑槽

（图片）（图片）（图片）

弧形槽腰鼓形槽凸棱面槽

图2 弧形槽、腰鼓形槽、凸棱面槽

表5 锥形断屑槽参数

	W_n (mm)	R_n (mm)	L (mm)	g₀ (°)	a₀ (°)	a'₀ (°)	k'_r (°)	倒棱	f (mm/r)	a_p (mm)
粗车	4.5	9	10	8	8	10	8	0.2×(-8°)	0.25～1	3～15
半精车	2.5	3	4	10	12	8	10	0.2×(-15°)	0.08～0.3	0.1～5
精车	1.5	1	2.5	20	10	8	8	0.2×(-15°)	0.08～0.15	0.1～0.5

2) 障碍式(或导屑器)断屑：采用可调式断屑压板或弹性断屑板强迫断屑，也是常采用的方法。钻削、镗削时可采用导屑器，防止切屑缠绕，见图3。

（图片）

图3 钻头导屑器

3) 改变刀具几何参数断屑：在切削高强度钢和超高强度钢时，可以通过改变一个或几个刀具几何参数达到断屑的目的。如加大主偏角、加大负倒棱宽度、减小前角等。但应注意的是，改变刀具几何参数时，必须综合考虑工艺系统刚性和刀具耐用度。当机床刚性较差或弱刚性工件时，如加大倒棱宽度、减小前角，会使切削力增加，容易引起工件振动，影响加工质量。而加大主偏角，会使刀尖强度降低，散热面积减小，影响刀具耐用度。一般只在半精车和精车时采用。

4) 改变切削用量断屑：当切削深度不很大时，可以通过增加进给量、降低切削速度来达到断屑的目的。当切削深度已经较大时，必须考虑刀具的强度、工艺系统的刚性和机床功率，以免造成“闷车”，使刀具损坏。

5) 工件预切槽断屑法：切削高强度钢和超高强度钢时，可以在工件的被加工表面上，预先加工1～2条直槽或螺旋槽，深度不得超过切削深度，一般为0.6～0.8a_p。使切削深度在切削过程中不停的变化，可以取得稳定的断屑效果。

6) 间断进给断屑：在切削过程中，周期性瞬时停止进给，也可以达到良好断屑的目的。

7) 外力强迫断屑：在切削过程中，可以采用辅助装置或能量，使切屑被迫折断。如喷射高压流体等。

7 对高强度钢和超高强度钢铰孔时怎样选择铰刀？

对高强度钢和超高强度钢铰孔时，可选用高性能高速钢和硬质合金作为刀具材料。高性能高速钢中的高钒、高钴、含钴或含铝的超硬高速钢，非常适于加工这种钢材。如用含钴超硬高速钢W12Mo5Cr4V3Co5Si制作的铰刀，直径Ø18 mm，铰削高强度钢(σb =1200～1300 MPa)的孔时，每把铰刀可铰孔60～70个。铰时n=140r/min，f=0.05mm/r，粗糙度Ra为1.6µm。

用于高强度钢的硬质合金铰刀，如图4-4所示，刀具材料为YT15硬质合金。此铰刀适用于L/D≤5及D=6～80mm的孔。使用时要充分加乳化液。如使用钻套，必须使用旋转钻套，以避免铰刀刃口与钻套摩擦。操作时，先将刀具与工件接触后再开车，退刀时最好先停车。

8 铰削高强度钢和超高强度钢孔时怎样选择切削用量？

高强度钢和超高强度钢一般铰孔时，切削余量不宜过大，否则会影响加工效率和刀具耐用度。当孔径小于等于15 mm时，余量约为0.1～0.15 mm；孔径大于15 mm时，余量为0.2～0.3 mm。在选择切削速度时，要充分考虑工件材料的强度和硬度。硬质合金铰刀的切削用量见表6和表7。

表6 硬质合金铰刀的切削用量

工件材料强度s_b (MPa)	切削速度V_c (m/min)	孔径 (mm)	转速n (r/min)
1130	60	10～15	600～1180
1250	55	10～15	600～1180
1324	50	20～30	375～750
1425	40	20～30	375～750
1520	30	30～80	375～600
1668	20	30～80	375～600

表7 硬质合金高速铰刀的切削用量

工件材料		切削用量
HRC	s_b(MPa)	V_c(m/min)	f(mm/r)	a_p(mm)
≤28	≤882	108～138	0.1～0.17	0.2～0.25
≤35	≤1372	100～130	0.1～0.17	0.2～0.25
≤48	≤1572	70～108	0.1～0.17	0.15～0.2
≤51	≤1765	60～100	0.12～0.2	0.15～0.2
≤53	≤1864	55～90	0.12～0.2	0.15～0.2
＞53	＞1864	40～70	0.1～0.17	＜0.15

9 钻削高强度钢和超高强度钢时怎样选择钻头？

钻削高强度钢，可选用高性能高速钢麻花钻或硬质合金钻头。钻削超高强度钢，一般应采用硬质合金钻头，直径大于16mm孔时，推荐选用可转位浅孔钻。

高速钢麻花钻，可选用群钻或修磨成三尖刃形的钻头。为了提高钻头的刚度，应适当增加钻心厚度，减小悬伸量。螺旋角也应小一些，一般为17°～30°。

选用硬质合金钻头时，可加大顶角，以改善排屑，一般为2k_r=140°～150°。为了减小轴向力，应减小横刃，一般为0.1d_o(d_o为钻头直径)。钻头的进给前角g_f=0°，进给后角a_f=6°～12°。可转位浅孔钻的刀片应选用涂层刀片或非涂层刀片。推荐选用的涂层刀片有：YB01、YB02、YB03；非涂层刀片有：YC10、YC30、YC40、YD20、798、813等。

（图片）

硬质合金钻头

10 钻削高强度钢和超高强度钢时怎样选择切削用量？

钻削高强度钢和超高强度钢，比钻削一般钢材的切削速度低50％左右。选用高速钢钻头钻孔时，一般取Vc=10～15m/min，当工件材料的硬度HRC>45时，切削速度更低。进给量为f=0.03～0.3 mm/r，钻头直径小时取小值。

采用硬质合金钻头时，可以选较高的切削速度，但不能太高，必须考虑工件材料的硬度对钻头耐用度的影响。当工件材料硬度HRC>50时，钻头的速度应小于30m/min，进给量f=0.03～0.3 mm/r。高速钢和硬质合金钻头，钻削不同硬度的高强度和超高强度钢的切削速度见表8；高速钢群钻的切削用量见表9。

表8 按工件材料硬度选择切削速度

工件硬度		35～40	40～45	45～50	50～55
刀具切削速度 (m/min)	高速钢	9～12	7.6～11	4.6～7.6	2～6.6
刀具切削速度 (m/min)	硬质合金	72～120	30～72	22～30	＜30

表9 高速钢群钻切削用量

深径比 L/D	切削用量	孔径(mm)
深径比 L/D	切削用量	8	10	12	16	20	25	30	35	40～60
＜3	f (mm/r)	0.13	0.18	0.22	0.26	0.32	0.36	0.40	0.45	0.5
＜3	V_c (m/min)	12			12.5			13
3～8	f (mm/r)	0.12	0.15	0.18	0.22	0.26	0.30	0.32	0.38	0.41
3～8	V_c (m/min)	11			11.5			12

11 怎样攻高强度钢和超高强度钢螺纹？

攻高强度钢和超高强度钢螺纹的丝锥，可用高性能高速钢、粉末冶金高速钢等制作。当工件硬度达到HRC48～52时，应采用硬质合金丝锥。丝锥多采用跳牙丝锥和修正丝锥。丝锥的齿形角应小于2°～5°，校准部分应有17′～33′的倒锥，切削锥角取2°30′～5°，切削锥长度L1=(1/2～2/3)校准部分长度。应适当增加螺纹底孔直径与切削部分长度，减小校准部分长度。如攻制高强度钢螺纹的丝锥(如图5所示)，丝锥的材质为含钴超硬高速钢(W2Mo9Cr4VCo8)，规格为M18×1.5，每组三支。攻丝时，使用豆油或菜子油作切削液。

（图片）

图5 攻刚强度钢螺纹的丝锥

12 铣削高强度钢和超高强度钢时怎样选择刀具及几何参数？

高强度钢和超高强度钢的室温强度很高，抗拉强度一般在1470 MPa以上。淬火后的硬度在HRC35以上，最高可达HRC58。高强度的马氏体，在切削时的剪切应力大，切削温度高，刀具磨损严重，容易崩刃或打刀。铣削时应选强度高、耐冲击和耐热性好的刀具材料，如高性能高速钢和硬质合金，也可以选择Al2O2—TiC系列热压陶瓷刀具。高速钢铣刀，可选用高钒高速钢、含钴或含铝超硬高速钢，如W12Cr4V4Mo、W2Mo9Cr4VCo8、W6Mo5Cr4V2Al。选用硬质合金作刀具材料时，应选抗弯强度高、硬度也较高的刀片，如SC30、YC40、SD15、YC35、YS25、726、813等。

在选择刀具几何参数时，要充分考虑这种钢的切削特点，应减小主偏角，增大刀尖圆弧半径，切深前角和进给前角应小于0°(高速钢铣刀除外)。硬质合金和陶瓷刀具的刃口应倒棱，以增加刃口的强度。

13 铣削高强度钢和超高强度钢时怎样选择切削用量？

高强度钢和超高强度钢的品种很多，其强度和硬度也有很大差异。铣削时应根据不同加工对象和加工条件，合理选择切削用量。在选择切削速度时，在工件材料的强度和硬度较高的情况下，应适当降低切削速度，减小刀具每齿进给量。按工件材料的强度选择铣削速度，见表11。按工件材料的硬度选择铣削用量，见表12。

表11 按工件材料强度选择铣削速度

工件强度s_b (MPa)		800～1200	1200～1500	1500～1800	1800～2100
铣削速度 (m/min)	高速钢取f=0.1mm/z	10～30	7～12	3～8	2～4
铣削速度 (m/min)	硬质合金取f=0.08～0.4mm/z	60～120	25～80	8～42	≤8

表12 按工件材料硬度选择铣削用量

刀具		250～350HB		350～400HB
		V_c (m/min)	f (mm/z)	V_c (m/min)	f (mm/z)
高速钢	面铣刀	10～18	0.13～0.25	6～10	0.08～0.2
	圆柱铣刀	10～15
	三面刃铣刀
硬质合金	面铣刀精铣	80～127	0.12～0.38	60～90	0.12～0.30
	面铣刀粗铣	70～100		53～76
	圆柱铣刀	60～100	0.18～0.30	46～76	0.18～0.30
	三面刃铣刀		0.13～0.30		0.13～0.30
陶瓷	面铣刀	100～300	0.15～0.30	80～100	0.08～0.30
	圆柱铣刀				0.13～0.30
	三面刃铣刀		0.10～0.30		0.10～0.30

14 切削高强度钢和超高强度钢有哪些实例？

1) 车削：工件材质为32CrNi3MoVA，s_b=1080 MPa，硬度为HRC35～38。刀具材料为YN05，g₀=4°～8°，a₀=6°～10°，l_s=-4°。车削用量为V_c=65m/min，f=0.3mm/r，a_p=1mm。

2) 车削：工件材质为35CrMoSiA，s_b≥1450 MPa，硬度为HRC43～48。刀具材料为AG2陶瓷，g₀=-4°，a₀=6°，l_s=-4°。切削用量为V_c=150 m/min，f=0.3mm/r，a_p=0.3mm。

3) 铣削(面铣)：工件材质为40CrNiMoVA，s_b=1870MPa，硬度为HRC52～54。刀具材料为YM052硬质合金，g₀=0°～5°，a₀=8°，l_s=-5°，k_r=45°。切削用量为V_c=23 m/min，f=0.08～0.1 mm/z，a_p=2mm。

4) 钻孔：工件材料为超高强度钢，s_b=1850～1980 MPa，硬度为HRC53～55。钻头的材料为W12Mo3Cr4V3Co5Si含钴超硬高速钢。切削条件为n=105r/min，f=0.05 mm/r，钻头直径Ø10 mm，孔深30 mm，一般冷却，每刃磨一次钻头，可钻孔38～40个。

5) 铰孔：工件材质为高强度钢，s_b=1200 MPa，采用含钴超硬高速钢，在n=140r/min，f=0.05mm/r，铰孔余量为0.1mm的情况下，用直径8mm的铰刀，铰孔60～70个，尺寸稳定，表面粗糙度R_a为1.6μm以下。

6) 攻丝：工件材料为高强度钢，s_b=1200 MPa，采用含钴超硬高速钢的M12×1的丝锥，手动攻丝，攻60个孔，丝锥未见磨损。用普通高速钢的丝锥，只能攻6～8个螺孔。 3/18/2007


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