車削奧氏體不銹鋼刀片斷屑槽研究

冉龍姣， 唐子淇， 鄢　強(qiáng)， 王成啟

(成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都　610106)

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車削奧氏體不銹鋼刀片斷屑槽研究

冉龍姣， 唐子淇， 鄢強(qiáng)， 王成啟

(成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都610106)

摘要：不銹鋼是典型的難加工材料.對(duì)不銹鋼材質(zhì)的可切削性進(jìn)行分析，明確其難加工的本質(zhì)原因，并介紹一般車刀刀片前角和斷屑槽的選擇要求.通過(guò)車削實(shí)驗(yàn)對(duì)3種基體材質(zhì)相同斷屑槽不同的刀片進(jìn)行對(duì)比，用三向測(cè)力儀測(cè)定相同切削用量下3種刀片的切削力，并觀察切削區(qū)域切屑的產(chǎn)生、流出、卷曲和折斷過(guò)程及刀片后刀面的磨損情況.由實(shí)驗(yàn)獲得了1種最適合車削奧氏體不銹鋼材料的槽型.

關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼；可轉(zhuǎn)位刀片；斷屑槽

0引言

在金屬材料加工過(guò)程中，難切削材料是指切削過(guò)程中刀具使用壽命短、切屑難以折斷以及工件表面質(zhì)量難以保證等可切削性差的材料[1-2].不銹鋼因其材質(zhì)中添加了Cr、Mo、Ti、Ni等元素，使其具有優(yōu)良的抗腐蝕性能和高溫強(qiáng)度保持性，但卻導(dǎo)致其成為難切削材料中較為典型和常用的材料之一[3].同時(shí)，金屬材料的切削過(guò)程是連續(xù)的，切削時(shí)所產(chǎn)生的切屑會(huì)不斷卷曲、折斷.在此過(guò)程中，刀片斷屑槽是控制切屑流向、卷曲和折斷的有效手段之一[4].研究發(fā)現(xiàn)，斷屑槽影響切削力、切削功率、切削溫度、刀片耐用度、機(jī)床、工件表面質(zhì)量，它是提高涂層刀片壽命和性能的主要因素[5].本研究對(duì)不銹鋼材質(zhì)進(jìn)行闡述并分析不銹鋼切削加工特點(diǎn)，明確其難加工的本質(zhì)原因；采用同種基體材質(zhì)3種斷削槽刀片進(jìn)行車削實(shí)驗(yàn)，觀察切削區(qū)域切屑產(chǎn)生、流出、卷曲和折斷過(guò)程，刀片后刀面的磨損情況；通過(guò)三向測(cè)力儀測(cè)定了相同切削用量下2種槽型刀片的切削力.通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出一種最適合加工奧氏體不銹鋼材料的槽型.

1奧氏體不銹鋼可切削性分析

若設(shè)定45#優(yōu)質(zhì)碳素鋼的可切削性參考標(biāo)準(zhǔn)為1.0，那么304奧氏體不銹鋼的可切削性約為0.37，其切削特點(diǎn)為:

1)切削變形嚴(yán)重.奧氏體不銹鋼材料固溶體晶格滑移系數(shù)較大，塑形變形及加工硬化嚴(yán)重.一般而言，加工硬化使切削變得很困難，且金屬剪切滑移區(qū)剪切應(yīng)力增加，加工抗力增大.奧氏體不銹鋼的切削變形系數(shù)Ah是45#鋼的1.7倍以上[6].

2)切削過(guò)程切削力大.不銹鋼中含有較多的高熔點(diǎn)、高激活能的組織，原子間結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，材料具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度保持性.材料中的V、Ti等元素還使刀片材料易產(chǎn)生擴(kuò)散磨損，工件材料黏結(jié)在前刀面上，產(chǎn)生積屑瘤，對(duì)刀片材料產(chǎn)生撕扯力，這些都使切削力增加.加工不銹鋼的切削力比45#鋼大26%[7].

3)材料加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重.不銹鋼切削過(guò)程中，切削變形嚴(yán)重，晶格間易產(chǎn)生嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)變形.在機(jī)械載荷作用和較高的切削溫度下，奧氏體相將部分向馬氏體轉(zhuǎn)化，強(qiáng)化相也從固溶體中析出并彌散分布在材質(zhì)中，引起工件的已加工表面產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng).而切削加工后的不銹鋼表面硬化程度可達(dá)250%～350%，硬化層深度更是達(dá)到切削深度的1/3[8].

4)切削過(guò)程溫度高.不銹鋼材料強(qiáng)度高，切削變形嚴(yán)重，切削過(guò)程中切削力大，產(chǎn)生的切削熱量多，且材料導(dǎo)熱系數(shù)λ≤41.7 W/(m·℃)，因此切削溫度要高于切削常規(guī)鋼種，最高溫度可達(dá)1 000 ℃.

5)刀片易磨損.在高速切削加工中，切削區(qū)域局部會(huì)產(chǎn)生高溫高壓，不銹鋼材料與其他金屬材料的親和性會(huì)使刀—屑之間發(fā)生黏結(jié)、擴(kuò)散磨損，切削刃上出現(xiàn)輕微的脫落和缺口，前刀面上出現(xiàn)月牙洼，此外不銹鋼材料中含有的一些高硬度碳化物， 容易在材料內(nèi)部形成分散的硬質(zhì)點(diǎn)，造成很大的切削抗力.同時(shí)，再加上切削溫度載荷過(guò)大，刀具材質(zhì)中的一些金屬元素，如Co、Ti、W、Ni和Mo等，容易擴(kuò)散到工件和切屑中，從而引起刀具產(chǎn)生擴(kuò)散磨損現(xiàn)象.刀具在波動(dòng)的機(jī)械載荷和溫度載荷作用下具有早期疲勞，從而產(chǎn)生疲勞裂紋以至于最終斷裂.

6)材料表面質(zhì)量及精度不易保證.不銹鋼導(dǎo)熱性差，在切削過(guò)程中容易產(chǎn)生積屑瘤，延伸率δ也較大，在較高的切削溫度下，工件極易發(fā)生熱變形，加工精度較難獲得保證[7].切削實(shí)驗(yàn)表明，選用高性能硬質(zhì)合金或陶瓷刀具結(jié)合較鋒利的切削刃以及較高切削速度(vc≥150 m/min) 并選用合理的冷卻方式，能獲得較理想的表面光潔度和加工精度[6].

2車刀刀片前角和斷屑槽的選擇

對(duì)于車削奧氏體不銹鋼車刀刀片前角γ0的選擇原則是：以保證刀片機(jī)械強(qiáng)度為前提，盡可能選用大前角，以降低在切削工程中工件的塑性變形和加工硬化.一般而言，車削材質(zhì)相同的不銹鋼、前角γ0不同的刀片，其使用壽命和后刀面磨損量(VB)值是不同的，不銹鋼車削專用刀片前角的推薦值如表1所示.

表1　不銹鋼車削刀片前角γ0推薦值

車削奧氏體不銹鋼除了刀片前角γ0外，斷屑槽槽型結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)切削有影響.在車削過(guò)程中，刀片切入與切出的瞬間會(huì)承受很強(qiáng)的機(jī)械載荷和熱沖擊載荷，在這2種載荷交替作用下刀片很容易出現(xiàn)非正常的破損失效.為了改善刀尖強(qiáng)度，防止刀片因前角的增加而降低了刀片切削刃的強(qiáng)度，一般車削刀片主切削刃斷屑槽橫截面結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1車削斷屑槽主切削刃截面圖

圖1所示結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，斷屑槽A點(diǎn)處的前角γ0最大，沿著曲面邊緣方向逐漸減小，從而使切削刃和斷屑槽底部強(qiáng)度獲得提升.根據(jù)幾何關(guān)系式，前角γ0、斷屑槽寬度Wr和橫截面曲面半徑r的關(guān)系為[6]，

(1)

3實(shí)驗(yàn)條件

3.1實(shí)驗(yàn)材料化學(xué)成分

實(shí)驗(yàn)用鋼材是304不銹鋼(直徑150 mm)，其化學(xué)成分如表2所示.

表2　Cr18Ni9(304)不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

3.23種不同斷屑槽

實(shí)驗(yàn)所用的3種可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片型號(hào)均為CNMG120408，刀片基體材料和涂層材料均相同，3種刀片的斷屑槽如圖2所示.槽型編號(hào)為槽型1、槽型2和槽型3.

圖23種斷屑槽示意圖

3.3實(shí)驗(yàn)裝備

實(shí)驗(yàn)裝備為:普通臥式車床CA6140，試件為奧氏體304不銹鋼，刀桿見圖3.測(cè)試儀器為:三向切削力測(cè)力儀;YG-2010型光學(xué)影像測(cè)量?jī)x.

圖3實(shí)驗(yàn)刀桿圖

3.4實(shí)驗(yàn)方案

本研究切削對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)定為刀片在相同的切削參數(shù)下進(jìn)行不銹鋼的半精加工，每種刀片車削時(shí)間均為4 min.

切削參數(shù)設(shè)定如下：切削速度，v=160 m/min；切削深度，ap=1 mm；進(jìn)給量，f=0.20 mm/r.

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.13種斷屑槽實(shí)驗(yàn)切削力值

3種斷屑槽實(shí)驗(yàn)切削力測(cè)量值如表3所示.

表3　切削力測(cè)量值

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，槽型2的主切削力最大，槽型3的主切削力最小，槽型1的主切削力介于兩者之間.其原因?yàn)椋翰坌?是鋒利的主切削刃，槽型2的主切削刃帶有0.25 mm的刃口寬度，刀片的強(qiáng)度較槽型一要好，但是刃口相對(duì)較鈍，其切削力也相對(duì)較大，而槽型3為改良后的槽型，既保留了槽型1的鋒利刃口，又由于采用的是雙前角斷屑槽，主切削刃處的刀片強(qiáng)度得到改善.實(shí)驗(yàn)時(shí)由于切削的平穩(wěn)，測(cè)量出的主切削力最小.

4.23種斷屑槽實(shí)驗(yàn)切削形態(tài)

3種斷屑槽在切削時(shí)間4 min時(shí)的切削形態(tài)如圖4所示.

結(jié)果顯示，在實(shí)驗(yàn)開始階段，槽型1產(chǎn)生的是螺旋狀切削，但是隨著切削時(shí)間的延長(zhǎng)，有長(zhǎng)條形切屑出現(xiàn).實(shí)驗(yàn)觀察到切屑流向不是很合理，切屑飛出打到主切削刃上，槽型1的刀片刃口出現(xiàn)崩缺的非正常磨損，切屑逐漸由螺旋狀形態(tài)向條狀形態(tài)轉(zhuǎn)化，加工工件表面質(zhì)量惡化.相比槽型1的刀片，槽型2和槽型3的刀片的切屑始終是C形短切屑，但是槽型2的切屑邊緣有很多鋸齒形的小裂紋，其切屑背面較槽型3產(chǎn)生的切屑更粗糙.

4.33種刀片斷屑槽后刀面磨損形態(tài)

3種刀片在切削時(shí)間為 4 min時(shí)后刀面磨損形態(tài)和其VB值如圖5所示.

圖4切削時(shí)間為4 min時(shí)3種刀片切屑折斷形態(tài)

圖5切削時(shí)間為4 min后刀面磨損圖

結(jié)果表明，槽型1的刀片磨損值為0.270 mm，槽型2的刀片后刀面磨損值為0.247 mm，槽型3的刀片后刀面磨損值為0.135 mm.槽型1的刀片其主要失效形式為刃口崩缺和后刀面磨損，這種槽型的刀片強(qiáng)度不足.槽型2和槽型3的刀片強(qiáng)度足夠，其刀片均為正常的后刀片磨損，其中改進(jìn)后的槽型3后刀片磨損值最少，由此可以推斷出槽型3的刀片使用壽命更長(zhǎng).對(duì)于切削不銹鋼這種難加工材料，保證刀片刃口的強(qiáng)度是首要任務(wù).

5結(jié)語(yǔ)

針對(duì)類似不銹鋼這種粘性大的難加工金屬材料的切削，需要在保證刀片主切削刃的強(qiáng)度的前提下選用盡可能大的前角的斷屑槽.建議切削不銹鋼材料的斷屑槽采用雙前角槽型，既能夠增大刀片前角從而保證刀片有足夠的強(qiáng)度，又能夠提高刀片切削刃的鋒利性，進(jìn)而減少切削變形.此種結(jié)構(gòu)斷屑槽能有效促進(jìn)切屑的流出與折斷，最終實(shí)現(xiàn)高效切削和優(yōu)異刀片使用壽命的雙重目標(biāo).

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Chip-breaking Groove for Cutting Austenitic Stainless Steel Insert

RANLongjiao,TANGZhiqi,YANQiang,WANGChengqi

(School of Mechanical Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China)

Abstract:Stainless steel is a typical material that is difficult to process.This paper analyzes the machinability of stainless steel and points out the essential reason why it is difficult for them to be processed.In addition,the paper introduces these selection requirements for the ordinary lathe tool rake angle and the chip-breaking groove.Through the cutting experiment,three kinds of blades with the same substrate material but different chip-breaking grooves are compared.Three-dimensional dynamometer is used to measure the cutting force of these three kinds of blades under the same cutting parameters.Then the paper observes the producing,outflow,curling and breaking of the chips in the cutting area as well as the blade flank wear.According to the experiment,one of the most ideal groove for the cutting austenitic stainless steel materials is obtained.

Key words:austenitic stainless steel；indexable insert；chip-breaking groove

文章編號(hào)：1004-5422(2016)02-0170-04

收稿日期：2016-04-15.

基金項(xiàng)目：四川省科技廳自科基金(2014GZ0004-5)資助項(xiàng)目．

作者簡(jiǎn)介：冉龍姣(1987 — )， 女， 碩士研究生， 從事刀具材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究.

中圖分類號(hào)：TG711

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A