進給方式對AISI 304L 不銹鋼螺紋車削的影響

田永強， 唐家睿， 焦 煒， 汪 強，周新義， 楊曉龍， 張曉華 編譯

（1. 國家石油天然氣管材工程技術研究中心， 陜西 寶雞 721008；2. 寶雞石油鋼管有限責任公司， 陜西 寶雞 721008）

近年來， 隨著機械加工行業迅速發展， 數控加工技術也越來越受到人們的關注。 在數控加工中， 螺紋車削是最基礎卻也最為復雜的一道工序， 對專業性及精度要求很高， 其加工質量極易受到各種因素的影響。 國內外學者對螺紋車削的影響因素開展了研究， Akyildiz 和Livatyali 研究了加工參數對SAE 4340 鋼螺紋加工試樣疲勞強度的影響， 發現影響螺紋加工疲勞強度的最重要因素是刀具磨損， 其次是切削速度， 徑向進給和螺紋切削方法的影響較小。 Gunay 研究了進刀角度對AISI 1050 鋼外螺紋加工質量的影響， 結果表明， 車削外螺紋的最佳進刀角為30°。 但關于進給方式對螺紋車削的影響研究很少， 特別是針對奧氏體不銹鋼車削螺紋的研究， AISI 304 奧氏體不銹鋼因其材料強度高、 切削時切向應力大、塑性變形大、 容易受到加工硬化的影響等因素，該材料的加工難度較大。

本研究通過分析不同的進給方式對AISI 304L 奧氏體不銹鋼螺紋車削的影響， 比較了3種不同的進給方式加工過程的溫度、 刀具壽命和螺紋表面的顯微硬度， 以確定AISI 304L 奧氏體不銹鋼螺紋車削的最佳進給方式。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為AISI 304L 奧氏體不銹鋼， 經固溶退火處理， 其抗拉強度為629 MPa， 延伸率為42%， 硬度為218HB。 304L 奧氏體不銹鋼化學成分見表1。

表1 AISI 304L 奧氏體不銹鋼化學成分 %

1.2 車削加工方式及溫度測量

使用Nardini Diplomat CNC 車床采用徑向、側面和增量3 種不同的進給方式對試驗材料在干燥環境下進行加工， 刀具使用TiN 涂層的硬質合金刀具 （RG-16VM01A002M 1125）， 螺紋切削速度保持恒定50 m/min， 每道次的切削深度為0.09 mm， 通過16 道次獲得螺紋牙型。 其工件尺寸為M16 mm×2.0 mm×170 mm， 使用Go 和No-Go 環規對螺紋樣品進行定性檢測。 使用分辨率為620×480、 溫度測量范圍-40～2 000 ℃的Flir SC 600 系列熱像儀測量加工過程中的溫度。 熱像儀位于機床前， 距離要聚焦整個工件， 并保護相機鏡頭免受損壞 （如圖1 所示）。 記錄每道螺紋加工過程的熱頻圖像， 并將其傳輸到Flir 研發的圖像處理軟件進行進一步分析。 溫度測量的掃描區域覆蓋了整個工件（如圖2 所示）。

圖1 車削加工及溫度測量裝置

圖2 溫度測量掃描區域的熱圖像

1.3 理化性能檢測

通過JEOl5410 掃描電子顯微鏡 （SEM） 和能譜儀 （EDS） 對刀具磨損程度進行微觀表征，采用HV-1000AT 觸摸屏自動轉塔顯微維氏硬度計測量車削操作后后刀面的顯微硬度， 載荷為25 N， 保載時間為15 s， 沿螺紋中徑線的方向由外到內進行測試， 車削后螺紋顯微硬度測試位置如圖3 所示。

圖3 車削后螺紋硬度測量位置示意圖（單位：mm）

2 結果和討論

2.1 不同進給方式下加工溫度分析

圖4 顯示了不同進給方式加工過程中測得的車削溫度與加工工件數量的關系。 從圖4 可以看出， 不同進給方式的溫度隨著加工工件數量的增加呈線性增加趨勢， 并且隨著刀具磨損程度的加深， 其加工溫度急劇增大， 這表明刀具已達到使用壽命。 這是由于304L 奧氏體不銹鋼具有低導熱特性， 從而導致刀具-切屑界面產生的熱量散熱不及時。 因此， 在加工這種材料時， 流向加工工件的熱量會減少， 加工過程中產生的大部分熱量都集中在刀具切削刃上。

由圖4 可見， 徑向進給方式測量的溫度高于其他方式。 這是由于在徑向進給過程中， 刀具必須同時加工螺紋的兩個側面， 使其與兩個切削刃及其刀尖半徑嚙合， 這會導致加工過程產生更多的熱量。 此外， 產生的V 形切屑流動更困難， 因此散熱更少。 在采用徑向進給方式加工到第6 個工件之前， 其溫度隨工件個數增加幾乎呈線性增加趨勢， 然而在加工第7 個工件時溫度急劇增加至670 °C。 刀具表面涂層氮化鈦 （TiN） 的最高工作溫度為600 °C， 這種高溫會對刀具涂層產生不利影響， 加工操作期間的實際溫度可能更高。 相關研究表明， 切割過程中的溫度可能比用紅外攝像機測量的溫度至少高200 °C， 這是由于切屑移開并且露出前刀面時會發生冷卻。

圖4 不同進給方式的車削溫度與加工工件數量的關系

對于加工相同數量的工件， 側面進給方式在加工過程中的溫度介于徑向方式和增量方式之間。 這是由于在側面進給過程中， 由于刀具主切削刃的作用， 切削只發生在螺紋的一個后刀面上， 切屑易被引導出切割區域， 有助于散熱。 采用側面進給方式加工第9 個工件時， 其溫度急劇增至530 ℃。

增量進給方式可降低螺紋加工過程中的溫度， 起初的溫度曲線趨勢類似于徑向進給方式，從第9 個工件開始， 溫度上升幅度減小， 在加工第13 個工件時， 溫度達到430 ℃。 這是由于增量進給方式中， 刀具切削刃是交替的， 從而延長了相鄰兩次加工的冷卻時間。

從上述結果可知， 對于相同數量加工工件，通過徑向進給方式加工時其溫度為三者最高， 側面進給方式次之， 而增量進給方式最小。

2.2 不同進給方式下刀具的掃描電鏡及能譜分析

采用徑向進給方式加工螺紋后刀具的掃描電鏡結果如圖5 所示。 圖5 （a） 顯示了使用徑向進給方式對6 個工件進行螺紋加工后刀具的掃描電鏡圖像， 從圖中可以看出， 工件材料已粘附在該區域， 這是不銹鋼螺紋加工過程出現的磨削、高溫、 材料加工硬化等因素引起的。 相關研究表明， 具有高硬化率的工件材料在切削過程中會產生硬毛刺， 這會在后刀面產生高擠壓應力和摩擦作用， 因此工件材料會附著在后刀面上。

刀具磨損導致的刀尖形狀變化對螺紋加工的精度以及輪廓產生不利影響， 通過EDS 能譜分析， 圖5 （b） 中能譜點1 處w（Ti）=41.87%、w（N）=27.59%， 這說明靠近刀具邊緣， 涂層完整性沒有被破壞， w（Fe）=6.24%， 這表明工件材料存在一定的粘附性。 圖5 （b） 中能譜點2 處w（Co）=7.71%、w（W）=72.95%， 這是工件基體的元素， 這表明靠近刀尖附近的涂層脫落， 有利于工件材料的黏附。圖5 （b） 中能譜點3 處w（Fe）=5.28%， 這表明距離切削刃較遠區域工件材料沒有明顯的粘附。

圖5 徑向進給方式加工螺紋后刀具的掃描電鏡顯微形貌

圖6 所示為使用側面進給方式對9 個工件進行螺紋加工后刀具掃描電鏡圖像。 從圖6 可觀察到較大的后刀面磨損 （VBN=237 μm） 和嚴重的前刀面磨損。 從EDS 能譜分析可知， 工件材料的粘附也發生在刀具前刀面上， 圖6 （b）中能譜點1 處w（Fe）=22.74%、 w（Cr）=10.4%；圖6 （b） 中能譜點2 處w（Co）=4.25%、 w（W）=47.69%， 這表明涂層在該區域剝離， 刀具的基材暴露。 已經有研究表明， 奧氏體不銹鋼的缺口磨損發展與可用于粘合的區域范圍、 刀具和工件之間的粘合親和力、 粘合接合處的熱強度有關。

圖6 側面進給方式加工螺紋后刀具的掃描電鏡顯微形貌

圖7 顯示了使用增量進給方式對13 個工件進行螺紋加工后刀具的掃描電鏡圖像。 從圖7 中可以看出刀片兩側的磨損相對均勻， 工件加工過程中出現漸進的后刀面磨損和前刀面磨損。 工件材料的粘附發生在兩個切削刃上， 圖7 （b） 能譜點1、 3 處w（Fe）分別為57.78%和61.91%， 這表明后刀面、 缺口和刀尖都出現較為嚴重磨損，刀具已達到使用壽命， 導致螺紋輪廓出現偏差。螺紋質量和表面光潔度會受到螺紋車削操作中刀具磨損的影響， 根據ISO 3685—2003 標準可知，0.3 mm 的平均后刀面磨損 （VB） 通常被認為是刀具壽命標準， 螺紋根部增長5%為刀具報廢的標準。 然而， 后刀面磨損并不是AISI 304L 鋼螺紋車削中唯一的刀具失效模式， 工件材料的缺口磨損和黏附也會發生， 并對螺紋質量產生不利影響。 因此， 刀具磨損的綜合影響會導致螺紋輪廓的偏差。

圖7 增量進給方式加工螺紋后刀具的掃描電鏡圖

2.3 不同進給方式下螺紋表面顯微硬度分析

圖8 為不同進給方式加工后螺紋表面的顯微硬度隨表面深度變化趨勢。 從8 圖可看出， 徑向進給方式加工后螺紋表面最高顯微硬度為394HV2.5； 隨著測量深度增加， 顯微硬度降低，在約640 μm 的深度達到芯部的硬度270 HV2.5。側面進給方式加工后螺紋表面下方的顯微硬度為335HV2.5， 并隨測量深度的增加， 硬度逐漸降低至芯部的硬度。 與徑向進給方式相比， 側面進給方式應變硬化較低， 因為摩擦較小且熱量滲透到材料表層較少。 采用增量進給方式加工后， 螺紋表面下方的顯微硬度值接近采用側面進給方式加工后的表面硬度， 并隨著深度的增加迅速下降到芯部的硬度。

圖8 不同進給方式加工螺紋表面的顯微硬度隨表面深度變化趨勢

從上述分析可知， 采用增量進給方式加工的螺紋， 其表面顯微硬度與芯部的顯微硬度差別較小。 螺紋加工過程中顯微硬度的變化是由于熱效應和機械效應引起的， 顯微硬度結果表明， 增量進給方式減少了螺紋表面的熱效應和機械效應。徑向進給方式在切削區產生的熱強度遠高于其他方式， 導致表面顯微硬度高于芯部的顯微硬度。此外， 一旦使用切削刀具的兩側進行切削， 徑向進給方式會產生更大的摩擦。

3 結 論

（1） 徑向進給方式對AISI 304L 不銹鋼螺紋車削過程中產生的溫度最高， 其次是側面進給方式，增量進給方式產生的車削溫度最低。

（2） 車削進給方式對刀具壽命方面有很大影響。 與徑向進給方式相比， 側面進給方式和增量進給方式的車削刀具使用壽命均有所提高。 刀具壽命主要受刀尖磨損的影響， 刀尖磨損會導致螺紋輪廓的偏差以及工件成品率下降。

（3） 采用徑向進給方式進行螺紋車削加工，由于切削區產生的熱量較高， 導致螺紋表面顯微硬度值最大。 而使用增量進給方式降低了工件螺紋表面的熱效應和機械效應， 使其獲得較低的顯微硬度值和較淺的硬化深度。

譯 自： COSTA C E，POLLI M L. Effects of the infeed method on thread turning of AISI 304L stainless steel[J].Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering，2021，43（5）：1-9.