AISI 304不銹鋼銑削加工性能實驗分析

神會存 肖順根 賴聯鋒

（寧德師范學院，寧德 352100）

AISI 304不銹鋼銑削加工性能實驗分析

神會存 肖順根 賴聯鋒

（寧德師范學院，寧德 352100）

利用硬質合金銑刀，對奧氏體不銹鋼AISI 304進行銑削加工實驗研究。討論切削速度和進給率的變化對刀具壽命的影響。實驗結果表明，刀具壽命隨切削速度的增加而降低，隨進給率的增加而增加。以生產率最高和刀具壽命最長為目標，給出單刃銑刀銑削加工的最佳切削參數。

AISI 304不銹鋼 復合涂層硬質合金刀具 銑削 刀具壽命 生產效率

引言

奧氏體不銹鋼是一種耐腐蝕性很強的鉻鎳鋼，具有其他合金不具備的優良機械性能。奧氏體不銹鋼是非磁性材料，無法用傳統的熱處理淬火處理，但可以通過冷加工強化[1]。

在機械加工中，奧氏體不銹鋼AISI 304是一種硬度很高的材料。加工過程中存在許多困難，如刀具不規則磨損和后刀面積屑瘤等[2]。積屑瘤的存在會加快刀具的磨損、破壞工件的表面完整性。該材料的可加工性差，通常有以下原因：低熱傳導性（是普通碳鋼的50%）、高韌性、高延展強度、高斷裂韌性和高加工硬化率。加工硬化會導致刀具磨損和損壞率的增加，降低加工硬化對刀具壽命影響的一種方法是用鋒利的刀具在高進給率下進行端銑操作。

相對于車削而言，硬質合金刀具銑削的切削條件更為苛刻[3-4]。這是由于銑刀由若干刀齒組成，切削過程不連續，導致形成梳狀微裂紋。與車削不同，切屑始終與刀片保持接觸，端銑更易形成積屑瘤。

本文采用復合涂層（TiN/TiCN/TiN）硬質合金單刃端銑刀，對AISI 304不銹鋼進行銑削實驗研究。

1 實驗內容

1.1 工件材料

AISI 304不銹鋼工件尺寸為50.8mm×50.8mm×120mm，屈服強度、拉伸強度分別為296、600MPa，硬度為HRB88，其化學成分見表1。

表1 AISI304不銹鋼的化學成分（wt.%）

1.2 刀具材料

使用的刀具是復合涂層（TiN/TiCN/TiN）硬質合金銑刀，刀片開有斷屑槽，后角70°，前角150°。刀架采用直徑為12mm的單柄刀架。

1.3 切削試驗

端銑切削試驗所用機床為OkumaMX-45 VA數控加工中心，最大主軸轉速為7000r/min，最大功率為10馬力。采用濕式切削，切削速度為150、190、225、260m/min；軸向切深和徑向切深保持不變，分別為10mm和2mm；進給率分別為0.025、0.050、0.075、0.100mm/rev。每個切削速度都分別與4種進給率組合，因此總的切削試驗數是16個。每個實驗重復3次，以保證后刀面磨損讀數的準確。用VHX-1000型三維數碼顯微鏡測量后刀面磨損磨損量VB，以VB達到0.3mm作為刀片壽命的標準。

2 結果與討論

2.1 切削速度和進給率對刀具壽命的影響

切削速度和進給率對刀具壽命有顯著影響。由圖1可看出，進給率不變時，隨著切削速度的增加，刀具壽命明顯減少。

圖1 不同進給率下切削速度與刀具壽命間的關系

切削速度較高（V=260m/min）時，進給率的變化對刀具壽命的影響不大。此時，若進給率在0.05～0.1mm/rev，刀具壽命在3～4min。當進給率取最小值0.025mm/rev時，刀具壽命增加至約兩倍（7.4min）。這可能是由于進給率較小時，切削抗力較低，刀片作用在切削區域的時間較長，冷卻時間較充分[5]。這也是在同樣的冷卻液作用條件下，進給率較大時積屑瘤更易形成的原因。因此，高速銑削AISI 304時，應采用較小的進給率（約為0.025mm/rev）。

2.2 生產效率

金屬切削加工性能的一個重要指標是單位時間內除去的材料體積，即生產效率。如果生產效率低，僅僅延長刀具壽命意義不大。

由試驗可知，在切削速度V=150m/min和進給率F=0.075mm/rev時，材料去除率最大（如圖2所示）。在該切削條件下的刀具壽命約為14.5min，接近16.9min的最長刀具壽命。

圖2 刀具壽命與金屬去除量間的關系

刀具壽命最長的切削參數（V=150m/min和F=0.05mm/rev），材料去除率約為最大去除率的50%。因此，最佳切削參數，應是材料去除率高，且刀具壽命也相對較長。由實驗得到符合這種要求的切削參數有兩組，見表2。

表2 兩組最佳切削參數組合

3 結論

本文采用復合涂層硬質合金刀具對奧氏體不銹鋼AISI 304進行端銑試驗研究，通過本文研究，得出以下結論：

（1）刀具壽命隨切削速度的提高而降低。在190、225、260m/min三種切削速度下，刀具壽命接近相等，但在切削速度V=150m/min時，刀具壽命幾乎倍增。

（2）切削速度較高時，進給率變化對刀具壽命影響較小。當切削速度V=260m/min時，采用不同進給率時刀具壽命幾乎相同。

（3）使生產效率和刀具壽命都較高的最佳切削參數是切削速度V=150m/min、進給率F=0.075mm/rev。

[1]張清閣.面銑加工奧氏體不銹鋼的切削參數優化及有限元仿真研究[D].濟南：山東大學，2013.

[2]Korkut I，Kasap M，Ciftci I，et al. Determination of Optimum Cutting Parameters During Machining of AISI 304 Austenitic Stainless Steel[J]. Materials and Design，2004，25（4）：303-305.

[3]Andersson C，Andersson M，Stahl JE. Experimental Studies of Cutting Force Variation in Face Milling[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2011，51（1）：67-76.

[4]Moradi H，Movahhedy MR，Vossoughi G. Dynamics of Regenerative Chatter and Internal Resonance in Milling Process with Structural and Cutting Force Nonlinearities[J].Journal of Sound and Vibration，2012，331（16）：3844-3865.

[5]高東強，艾旭，陳威，等.涂層硬質合金刀具對奧氏體不銹鋼的切削特性[J].材料科學與工程學報，2016，34（3）：437-444.

Experimental Analysis on Milling Performance of AISI 304 Stainless Steels

SHEN Huicun, XIAO Shungen, LAI Lianfeng
(Ningde Normal University, Ningde 352100)

This work reports an experimental study on the performance of multilayered carbide tools for end-milling of AISI 304 austenitic stainless steels. The influence of cutting speed and feed rate on the tool life is discussed. The experimental results show that the tool life decreases with the increase of the cutting speed, and increases with the increase of the feed rate. With the highest productivity and the longest tool life as the goal, the optimal cutting parameters are given.

AISI 304 stainless steel, multilayered carbide tools, milling, tool life, productivity

福建省教育廳科技項目（JA14327）、寧德市科技計劃項目（20140178）、寧德師范學院校級課題（2013F28、2015Z03、2015T07）。