切削参数对304奥氏体不锈钢加工表面性能的影响

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The Influence of Machining Parameters on Surface Properties of 304Austenitic Stainless SteelJIN Hong-ping ，CHEN Jian-guo ，WANG Zhi-guang(1.Department of Mechanical Engineering，Hubei Automotive Industries Institute，Shiyan 442002，China；2.Jiangsu Electric Power Design Institute I Nanjing 21 1 102，China)Abstract：Some reasonable machining parameters were designed to study the cutting test of 304 austenitic stainless stee1。

Surface roughness，microstructure and work hardening were used to analysis of the influence of machining parameters onsurface properties of 304 austenitic stainless stee1.The results showed that the feed rate is main influencing factors of sur-face roughness，surface roughness.The increases with increasing the feed rate.The influence of the cuting deep and cut-ting speed on the roughness is smaller.The influence of tool wear on the martensitic transformation is larger，and the con-tent of the martensite is related with strain；feed rate and cuting deep have the greatest influence on work hardening。

Key words：machining parameters；surface roughness；work hardening304奥氏体不锈钢具有良好的综合性能，因此在高温腐蚀性条件下得到很好的应用。然而 ，304奥氏体不锈钢 良好的综合性能却给切削加工带来很多的弊端 ，其难加工性主要表现为 ：切削力大 ，切削温度高 ，加工硬化严重。主要原 因是 ：304奥 氏体不锈钢的塑性大，延伸率高。切削加工过程中很容易发生塑性变形，晶格严重扭曲，晶粒纤维化，热扩散系数小，切削加工硬化很严重[ ]。

由于 304奥氏体不锈钢的切削加工性很差，不合理的切削参数会造成加工精度与加工质量得不到保证，刀具也更易磨损，导致生产效率的降低及生产成本的增加。因此，有必要对 304奥氏体不锈钢的切削性能进行分析，以便得到合适的切削参数从而获收稿日期：2012-08-13基金项目：湖北省自然科学基金资助项 目(2011CDB089)。

金属切削过程是力与温度综合作用的过程 ，切削力与切削温度 的影Ⅱ向因素很多 ，包括切 削三 要素、刀具、工件、机床、冷却液等。目前针对材料切削质量的研 究主要集 中在两个 方面 ：- 方面是采用有 限元仿真技术对切 削过程进行仿 真 ，可以实时分析加工过程中的切 削力、切 削温度 及残余应力的演变：另-方面是通过试验的方法来研究加工表面质量，包括粗糙度、加工硬化及微观组织变化等10-121。由于切削过程的复杂性，采用有限元软件进行切削加工仿真的技术目前还不够成熟 ，不能够很好的模拟切削完成后的加工表面质量 ，而采用试验方法得到的结果更加准确可靠。因此 ，本文采用试验手段来分析切削参数对 304奥氏体不锈钢加工表面性能的影Ⅱ向。

切削参数对304奥氏体不锈钢加工表面性能的影响/金宏平，陈建国，王志光 工 艺 -村 器斗1 试验过程1.1 试验装置试验所用的车床为CA6140，最大转速1 500 dmin，功率 7.5 kW。加工所用的车刀分别为锋利刀片与人 工磨 出后刀面磨 损带的磨 钝刀片。锋利 刀片为Sandvik CNMG1204系列涂层 刀片 ，涂层编号为2015。安装角度为：主偏角为95。，负偏角为5o，前角 为 l5。，后角为 7。，刃倾角为-6。。带磨损带的磨钝 刀片为 YW1硬质合金刀片 ，其 中磨损 带长度 为0.5 mm，1 mmo加工完成后 ，采用显微维 氏硬度计 、粗糙度测量仪和 XRD衍射仪分别测试试样的显微硬度、工件的表面粗糙度 以及相成分分析。

1.2 工件材料试验材料采用 304奥 氏体 不锈钢棒料 与管料 ，其 中棒料规格 为 qb45 x450 mm，管料规格 为壁厚 4 mm，外径 58 mm。主 要化学成份 如表 1所不 表 1 试验用 304奥 氏体不锈钢主要化学成份元素 Cr Ni Fe Si S Cu质量百分数，% 18.62 7.57 69.97 O.96 1.56 1231.3 试验和测试过程进行车削试验时，考虑切削速度与进给量，切削速度与背吃刀量，进给量与背吃刀量的交互作用 。试验采用单 因素法与正交切削试验进行 ，采用L (3 )正 交表。车削完成后通过线切割在 已加工表面取虚 ，经镶嵌、粗磨、精磨和抛光等过程制成金相试样 ，然后进行加工试样的表面性能分析测试2 试验结果分析2.1 切削参数对表面粗糙度的影响表面粗糙度是精加工表面质量评价指标中的很重要的-个参数，它从几何方面反映了零件加工表面完整性的好坏。为了更加准确的获得 304奥氏体不锈钢的加工表面的粗糙度，在每-组切削参数加工完成后的试样表面取三个位置进行测量 ，取其平均值作为该试样的粗糙度值。试验结果分别如图 l、图 2和图 3所示。

裂集恒梨桑恒进给量/mm·r-图 1 进 给量对表面粗糙度的影Ⅱ向图 2 背吃刀量对表面粗糙度 的影响图 3 切削速度对表面粗糙反 的影响从 图 1～3中可 以看到 ，表面粗糙度主要受到进给量的影响较大，而背吃刀量的影响规律不明显。当进给量在 0.056～0.31 mm/r的范围内时，随着进给量的增大 表面 粗糙 度 呈增 大趋 势 。如 当进 给 量 为0.056 mm/r时 ，粗糙度 Ra为 1.478：而当进给量为0.31 mm/r时，粗糙度 Ra增大到4.421。当切削速度在 38～137 m/min范围内时 粗糙度仅在 1.138～1.363之间变化，变化范围很校同样地，当背吃刀量在 0.2～1 mm 之 间时 ，粗糙度 变 化范 围在 1.138～1.339之间，变化范围也很猩见，表面粗糙度受进给量的影响较大，而背吃刀量和切削速度对其影响· 67·m 蕊 0《 梨集恒工 艺 ·村 料 汽车科技第1期2013年1月较校因此，在精加工阶段，为了得到较好的表面粗糙度 ，尽量选择较小的进给量。

22 切削参数对马氏体相变的影响304奥氏体不锈钢基体为单-奥氏体组织，是- 种非稳态的不锈钢，在应力作用下容易诱发马氏体相变。由于马氏体的硬度比奥氏体硬度高，而且对应力腐蚀敏感性强。因此采用合理的切削参数避免马氏体 的产生是很重要的。

通过XRD衍 射 仪对 不 同切 削 参数 下 的试 样以及 未进 行车 削试验 的试样进 行分析 ，发 现部分试样检测到马氏体。图4为未车削试样的X射线衍射图，奥 氏体相存在 5个峰值 ，与标准衍射图形相同。图 5为某切削参数下(切削参数 ：进给量0.056 mm/r，转速 475 r/min，后 刀面 磨 损 1 mm)的加工试样的X射线衍射图。从图中可以发现该试样发生 了马氏体相变，存在 马氏体 ，同时还存在 马氏体 。

位 置/。2Theta图4 未切削试样的衍射图，组织为单-奥氏体相(位 置，o2Theta图 5 切削试样的衍 射图(切 削参数 ：进 给量 0.056 mm/r，转速 475 r/rain，后刀面磨 损 1 mm)通过对不同加工试样的XRD测试发现，采用锋利刀具进行 304不锈钢的外圆车削时，当切削速 度在 38～205 m/min区 间时 ，进 给量 在 0.11～0.31 mm/r范围内，加工表面没有发生相变。而采用带后刀面磨损的刀具时，在大的进给量与大的背吃刀量的条件下，发生了奥氏体向马氏体的转变。通过定量分析发现 ，马氏体的含量与应变有· 68 ·关。 当切削过程 中产 生大应 变时 ，加工表 面将 会产生较 多 的马氏体 。即马 氏体 的产生与后 刀面磨损有 关。

2.3 切削参数对硬化层厚度的影响借助维氏硬度计分别对加工试样进行不同深度的硬度值的测量 ，根据硬度值的变化，可以很容易区分硬化层与基体的分界线，从而确定硬化层 的厚度 。图 6为切 削速度对硬化层厚度 的影响曲线 。

皇心图 6 切 削 速 反 对 硬化 层 厚 度 影 响从图 6中可以看出，当切削速度在 38 205 m/min范围时，随着切削速度的增大，硬化层的厚度逐渐减校当切削速度为 38 m/min时，硬化层厚度为 246.5m。而当切削速度为205 rn/min时，硬化层厚度只有 90.88 m。这是因为 ：当切削速度增大时，金属塑性变形速度增大 ，导致工件与刀具的接触时间变短 ，加工硬化不能够充分地进行，使得塑性变形程度减小：此外 ，随着切削速度的增大，所消耗的功也随之增加 ，产生的切削热也随之增加 ，导致切削表层温度升高 ，因而表层金属更易发生软化 ，使之硬化层深度与硬化程度也相应降低。

吕峙巡图7 进给量对硬化层厚度影响切削参数对304奥氏体不锈钢加工表面性能的影响/金宏平，陈建国，王志光 工 艺 -村 卷碍图 7为进给量对硬化层厚度的影响曲线。从图中可 以看出 ，在进给量为 0.056～0.31 mm/r的范围内，硬化层厚度随着进给量的增大而增加 ，最大硬化深度可达到 212.5 m。产生该现象的主要原 因为：随着进给量的增加，切削力随之增大，切削表层塑性变形程度也增大，因而加工硬化也随之增强。

图 8为背吃刀量对硬化层厚度影响曲线。从图中可以看出 ，当背吃刀量在 0.2～lmm范围时 ，硬化层厚度随着背吃刀量的增大而增加 ，硬化层的厚度值从 86.94 txm增大到 165.5 m。主要原 因是 ：随着背吃刀量增大，切削力也随之增大 ，塑性变形程度与变形深度都随之增大，因此硬化层的厚度随之增大。

11。11萋：1背吃 刀量/mm图 8 背吃刀量对硬化层厚 度影Ⅱ向综上所述，304奥氏体不锈钢在进行切削加工时，加工硬化层的厚度随着切削速度的增大而减小，随着进给量和背吃刀量的增大而增大。

3 结论本文针对 304奥 氏体不锈钢 ，通过合理的切削加工参数进行切削试验 ，以表面粗糙度、微观组织变化、加工硬化为评价指标 ，分析了切削参数对 304奥氏体不锈钢的加工表面性能的影响。

主要 结论如下：(1)304奥 氏体不锈钢在进行切削加工时，加工表面的表面粗糙度主要受到进给量 的影响 ，且随着进给量的增加而增大 ，而背吃刀量和切削速度对其影响较校(2)利用 XRD测试技术 ，分析发现刀具磨损对马氏体相变有重要影响，而且马氏体的含量与应变有关，当切削过程中产生大应变时将会产生了更多的马氏体(3)304奥氏体不锈钢切削加工时的加工硬化现象严重，根据正交试验分析发现 ，进给量与背吃刀量对加工硬化影响最大 ，其次是切削速度。