田永強(qiáng)， 唐家睿， 焦 煒， 汪 強(qiáng)，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(shù)研究中心， 陜西 寶雞 721008；2. 寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞 721008）

近年來， 隨著機(jī)械加工行業(yè)迅速發(fā)展， 數(shù)控加工技術(shù)也越來越受到人們的關(guān)注。 在數(shù)控加工中， 螺紋車削是最基礎(chǔ)卻也最為復(fù)雜的一道工序， 對專業(yè)性及精度要求很高， 其加工質(zhì)量極易受到各種因素的影響。 國內(nèi)外學(xué)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(shù)對SAE 4340 鋼螺紋加工試樣疲勞強(qiáng)度的影響， 發(fā)現(xiàn)影響螺紋加工疲勞強(qiáng)度的最重要因素是刀具磨損， 其次是切削速度， 徑向進(jìn)給和螺紋切削方法的影響較小。 Gunay 研究了進(jìn)刀角度對AISI 1050 鋼外螺紋加工質(zhì)量的影響， 結(jié)果表明， 車削外螺紋的最佳進(jìn)刀角為30°。 但關(guān)于進(jìn)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(qiáng)度高、 切削時切向應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)給方式。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為AISI 304L 奧氏體不銹鋼， 經(jīng)固溶退火處理， 其抗拉強(qiáng)度為629 MPa， 延伸率為42%， 硬度為218HB。 304L 奧氏體不銹鋼化學(xué)成分見表1。

表1 AISI 304L 奧氏體不銹鋼化學(xué)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(cè)面和增量3 種不同的進(jìn)給方式對試驗(yàn)材料在干燥環(huán)境下進(jìn)行加工， 刀具使用TiN 涂層的硬質(zhì)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(huán)規(guī)對螺紋樣品進(jìn)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(jī)床前， 距離要聚焦整個工件， 并保護(hù)相機(jī)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?shù)紽lir 研發(fā)的圖像處理軟件進(jìn)行進(jìn)一步分析。 溫度測量的掃描區(qū)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(qū)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(jìn)行微觀表征，采用HV-1000AT 觸摸屏自動轉(zhuǎn)塔顯微維氏硬度計(jì)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(nèi)進(jìn)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(jié)果和討論

2.1 不同進(jìn)給方式下加工溫度分析

圖4 顯示了不同進(jìn)給方式加工過程中測得的車削溫度與加工工件數(shù)量的關(guān)系。 從圖4 可以看出， 不同進(jìn)給方式的溫度隨著加工工件數(shù)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(dá)到使用壽命。 這是由于304L 奧氏體不銹鋼具有低導(dǎo)熱特性， 從而導(dǎo)致刀具-切屑界面產(chǎn)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(chǎn)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(jìn)給方式測量的溫度高于其他方式。 這是由于在徑向進(jìn)給過程中， 刀具必須同時加工螺紋的兩個側(cè)面， 使其與兩個切削刃及其刀尖半徑嚙合， 這會導(dǎo)致加工過程產(chǎn)生更多的熱量。 此外， 產(chǎn)生的V 形切屑流動更困難， 因此散熱更少。 在采用徑向進(jìn)給方式加工到第6 個工件之前， 其溫度隨工件個數(shù)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(chǎn)生不利影響， 加工操作期間的實(shí)際溫度可能更高。 相關(guān)研究表明， 切割過程中的溫度可能比用紅外攝像機(jī)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(fā)生冷卻。

圖4 不同進(jìn)給方式的車削溫度與加工工件數(shù)量的關(guān)系

對于加工相同數(shù)量的工件， 側(cè)面進(jìn)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(cè)面進(jìn)給過程中， 由于刀具主切削刃的作用， 切削只發(fā)生在螺紋的一個后刀面上， 切屑易被引導(dǎo)出切割區(qū)域， 有助于散熱。 采用側(cè)面進(jìn)給方式加工第9 個工件時， 其溫度急劇增至530 ℃。

增量進(jìn)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(jìn)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(dá)到430 ℃。 這是由于增量進(jìn)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(jié)果可知， 對于相同數(shù)量加工工件，通過徑向進(jìn)給方式加工時其溫度為三者最高， 側(cè)面進(jìn)給方式次之， 而增量進(jìn)給方式最小。

2.2 不同進(jìn)給方式下刀具的掃描電鏡及能譜分析

采用徑向進(jìn)給方式加工螺紋后刀具的掃描電鏡結(jié)果如圖5 所示。 圖5 （a） 顯示了使用徑向進(jìn)給方式對6 個工件進(jìn)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(qū)域， 這是不銹鋼螺紋加工過程出現(xiàn)的磨削、高溫、 材料加工硬化等因素引起的。 相關(guān)研究表明， 具有高硬化率的工件材料在切削過程中會產(chǎn)生硬毛刺， 這會在后刀面產(chǎn)生高擠壓應(yīng)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(dǎo)致的刀尖形狀變化對螺紋加工的精度以及輪廓產(chǎn)生不利影響， 通過EDS 能譜分析， 圖5 （b） 中能譜點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)3 處w（Fe）=5.28%， 這表明距離切削刃較遠(yuǎn)區(qū)域工件材料沒有明顯的粘附。

圖5 徑向進(jìn)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(cè)面進(jìn)給方式對9 個工件進(jìn)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(yán)重的前刀面磨損。 從EDS 能譜分析可知， 工件材料的粘附也發(fā)生在刀具前刀面上， 圖6 （b）中能譜點(diǎn)1 處w（Fe）=22.74%、 w（Cr）=10.4%；圖6 （b） 中能譜點(diǎn)2 處w（Co）=4.25%、 w（W）=47.69%， 這表明涂層在該區(qū)域剝離， 刀具的基材暴露。 已經(jīng)有研究表明， 奧氏體不銹鋼的缺口磨損發(fā)展與可用于粘合的區(qū)域范圍、 刀具和工件之間的粘合親和力、 粘合接合處的熱強(qiáng)度有關(guān)。

圖6 側(cè)面進(jìn)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(jìn)給方式對13 個工件進(jìn)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(cè)的磨損相對均勻， 工件加工過程中出現(xiàn)漸進(jìn)的后刀面磨損和前刀面磨損。 工件材料的粘附發(fā)生在兩個切削刃上， 圖7 （b） 能譜點(diǎn)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(xiàn)較為嚴(yán)重磨損，刀具已達(dá)到使用壽命， 導(dǎo)致螺紋輪廓出現(xiàn)偏差。螺紋質(zhì)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(jù)ISO 3685—2003 標(biāo)準(zhǔn)可知，0.3 mm 的平均后刀面磨損 （VB） 通常被認(rèn)為是刀具壽命標(biāo)準(zhǔn)， 螺紋根部增長5%為刀具報(bào)廢的標(biāo)準(zhǔn)。 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(fā)生， 并對螺紋質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。 因此， 刀具磨損的綜合影響會導(dǎo)致螺紋輪廓的偏差。

圖7 增量進(jìn)給方式加工螺紋后刀具的掃描電鏡圖

2.3 不同進(jìn)給方式下螺紋表面顯微硬度分析

圖8 為不同進(jìn)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(jìn)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(dá)到芯部的硬度270 HV2.5。側(cè)面進(jìn)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(jìn)給方式相比， 側(cè)面進(jìn)給方式應(yīng)變硬化較低， 因?yàn)槟Σ凛^小且熱量滲透到材料表層較少。 采用增量進(jìn)給方式加工后， 螺紋表面下方的顯微硬度值接近采用側(cè)面進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yīng)和機(jī)械效應(yīng)引起的， 顯微硬度結(jié)果表明， 增量進(jìn)給方式減少了螺紋表面的熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)。徑向進(jìn)給方式在切削區(qū)產(chǎn)生的熱強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他方式， 導(dǎo)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(cè)進(jìn)行切削， 徑向進(jìn)給方式會產(chǎn)生更大的摩擦。

3 結(jié) 論

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

（2） 車削進(jìn)給方式對刀具壽命方面有很大影響。 與徑向進(jìn)給方式相比， 側(cè)面進(jìn)給方式和增量進(jìn)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(dǎo)致螺紋輪廓的偏差以及工件成品率下降。

（3） 采用徑向進(jìn)給方式進(jìn)行螺紋車削加工，由于切削區(qū)產(chǎn)生的熱量較高， 導(dǎo)致螺紋表面顯微硬度值最大。 而使用增量進(jìn)給方式降低了工件螺紋表面的熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)， 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.