水蒸氣冷卻潤滑切削304不銹鋼的試驗研究

楊 釩 黃建龍

(蘭州理工大學機電學院，甘肅蘭州 730050)

304不銹鋼兼顧了室溫力學性能、高溫強度、低溫韌性和耐蝕性等多方面的優良性能以及經濟性，其產量、用量占不銹鋼總產量的50%以上，廣泛地應用于航空、航天、石油化工、建筑以及食品加工領域，是不銹鋼應用最成功的例子［1］。然而，在切削加工過程中，由于其塑性變形大、高溫強度高、切屑粘附性強及導熱率低，使得其在切削加工過程中存在切削力大、切削溫度高以及加工硬化現象嚴重等特點，是一種典型的難加工材料。傳統澆注冷卻方式加工不銹鋼材料時常用到含有四氯化碳和極壓、油性添加劑等有害成分的切削液［2］，會對操作人員和環境帶來極大的危害;另一方面，傳統加工方式切削液使用量大，也增加了產品的制造成本。

為了高效、綠色地實現不銹鋼的切削加工，國內外研究者對此做了大量工作，新型冷卻潤滑技術也是主要研究方向之一。劉永姜等［3］采用微量油膜水滴切削1Cr18Ni9Ti，明顯提高了刀具壽命;王秋成等［4］采用液氮噴霧切削0Cr18Ni9不銹鋼，改善了工件已加工表面的粗糙度;劉安虎［5］采用干式冷風車削1Cr18Ni9Ti，刀具磨損優于干切削。但上述方法都存在一個冷卻設備復雜、使用成本較高等缺點，因此有必要開辟不銹鋼切削的新途徑。為實現不銹鋼的綠色、高效及廉價切削，本文以過熱水蒸氣作為冷卻潤滑介質切削304不銹鋼，使用干切削及水蒸氣冷卻潤滑切削兩種方式進行試驗，從切削力、加工硬化、切屑變形及工件表面加工質量等方面研究過熱水蒸氣作為冷卻潤滑劑切削不銹鋼的效果。

1 水蒸氣作冷卻潤滑劑切削的簡介

水蒸氣作冷卻潤滑劑的切削方法是20世紀80年代末由前蘇聯波德戈爾夫［6］首先提出，即在密閉容器中將水加熱到沸點以上、使其具有一定的壓力，然后通過噴嘴以一定的初速度噴射到切削區域進行冷卻潤滑的一種切削方式。其原理是冷卻潤滑介質必須進入工件－刀－屑接觸區才能發揮其作用，因此就要求冷卻潤滑介質具有較好的滲透和擴散能力，過熱水蒸氣顆粒直徑較小、粘性阻力比傳統液態冷卻液小，更易滲透到切削區域;蒸氣溫度越高，分子熱運動越劇烈、擴散能力也就越強、越有利于冷卻潤滑介質的滲透［7］。另一方面、雖然過熱蒸氣的熱容比低于液態冷卻液，但過熱蒸氣由于具有一定的壓力及速度，屬于強制換熱方式、單位時間內進入切削區域的量大于液態冷卻液，可在一定程度上彌補過熱蒸氣熱容比較低這一缺點。

2 切削試驗方案

2.1 試驗工件與刀具材料

工件材料為304不銹鋼，工件尺寸為φ50 mm×500 mm。工件材料的力學性能見表1。

表1 304不銹鋼的力學性能

試驗刀具為Al2O3－TiC復相陶瓷刀具，型號為SNGN120408，刀具材料的成分及性能見表2。刀具的幾何參數為:前角 γo= －6°，后角 αo=6°，主偏角 κr=60°，副偏角 κ′r=30°，刃傾角 λs= －6°;切削方式為外圓表面車削。

表2 Al2O3－TiC陶瓷刀具的成分及性能

2.2 試驗設備與儀器

304不銹鋼的切削加工試驗在CA6140車床上進行，用小型工具顯微鏡測量切屑厚度，Kistler三向壓電晶體測力儀測量切削力，手持式表面粗糙度測量儀測量工件表面粗糙度，布洛維硬度計測量工件表面硬度，鐵素體測量儀測量工件馬氏體含量。

2.3 試驗方法與冷卻潤滑條件

試驗采用單因素法，因為一般來說為避免硬化層對切削的影響，不銹鋼的切削深度不能小于硬化層深度(0.3 mm)，而本研究主要針對不銹鋼的精加工，因此在試驗范圍內固定切削深度為0.3 mm。在試驗中先固定 υc=100 m/min和ap=0.3 mm，在f分別為0.1、0.2、0.3、0.4 mm/rad 的條件下測量切削力、變形系數、工件表面硬度、馬氏體含量及表面粗糙度;再固定f=0.2 mm/rad 和ap=0.3 mm，υc分別為 60、80、100、120 m/min的條件下測量切削力、工件表面硬度、馬氏體含量及表面粗糙度。

冷卻潤滑條件分別為干切削及過熱水蒸氣。蒸氣出口溫度為(133±5)℃、壓力為0.3 MPa，噴嘴直徑為2.5 mm，噴嘴至切削區距離為20 mm。

3 試驗結果與分析

3.1 切削力

圖1、2分別給出了切削304不銹鋼時的主切削力與進給量及主切削力與切削速度關系曲線，對比可知水蒸氣冷卻潤滑切削時主切削力比干切削時減小了6% ～17%。這是因為隨著進給量增加，切削層面積增大，變形抗力和摩擦力增大，最終表現為切削力增大。當水蒸氣作為冷卻潤滑介質時，蒸汽微粒進入到切削區域后會在刀－屑－工件之間形成邊界潤滑膜，可有效減小摩擦力，宏觀上表現為切削力的減小。而切削速度對切削力的影響主要原因是隨著切削速度的提高切削溫度也升高，導致工件材料軟化使得其塑性降低;此外隨著切削速度的增加，第二變形區切削溫度的上升改善了刀－屑之間的摩擦變形，使這一區域的附加變形減小，切屑流出阻力減小，最終導致切削力的減小［8］。當水蒸氣作為冷卻潤滑時，一方面有效減小了刀－屑－工件之間摩擦力，另一方面也降低了切削區域的溫度，但奧氏體類不銹鋼304高溫機械性能較好，在切削溫度高達700℃時其強度并沒有顯著降低［1］，切削過程中材料高溫軟化效應并不明顯，對切削力的影響也較小。綜合來看，在本試驗范圍內減摩效果是主導因素，這就表現為蒸氣作為冷卻潤滑時，隨著切削速度的提高，主切削力始終小于干切削狀態。

3.2 加工硬化效應

304不銹鋼是一種塑性金屬，切削加工過程中會產生加工硬化現象。本試驗從材料被加工表面硬度(圖3、4)及馬氏體含量(圖5、6)的變化來研究兩種不同冷卻潤滑方式對304不銹鋼加工硬化的影響。據已有資料可知，隨著切削速度的增大，刀具與工件的作用時間縮短，使工件塑性變形擴展深度減小，冷硬層深度也減小;進給量增大，切削力增大，表層金屬的塑性變形加劇，冷硬作用加強［9］，本文在試驗范圍內也符合這一規律。切削加工過程中切削區材料的塑性變形是引起工件被加工表面硬度及馬氏體含量的變化的主要原因，本文3.1節已經分析過干切削及水蒸氣冷卻潤滑時不同切削速度及進給量對工件塑性變形的影響，304不銹鋼切削時加工硬化的變化規律也與之相符，即水蒸氣冷卻潤滑時的工件表面硬度及馬氏體含量始終小于干切削;另外304不銹鋼加工硬化主要由應變硬化和應變誘發馬氏體相變硬化兩部分組成［10］，本試驗中工件切削加工后馬氏體增量僅為1%左右，遠小于表面硬度的變化率，因此在本試驗范圍內304不銹鋼切削過程中的硬化主要來自應變硬化本身。

3.3 加工表面的粗糙度

在試驗范圍內，進給量對表面粗糙度的影響比較顯著(圖7)，而且進給量f較小時兩種潤滑方式下工件加工表面粗糙度值較為接近，出現這種現象的原因是切削過程中工件切削層也會由于擠壓、變形而產生加工硬化層，當進給量較小時切削會在硬化層中進行，引起刀具系統的振動，造成被加工表面質量的下降;隨著進給量的增大、切削層硬化對切削的影響降低，此時切削過程較為平穩，而水蒸氣潤滑的效果也逐漸顯現、加工表面粗糙度值明顯小于干切削。

從圖8中可以看出，水蒸氣冷卻潤滑和干切削在低速切削時，工件表面的粗糙度值都較大，而且數值比較接近。這是因為在低速切削時，機床－工件－刀具之間的振動是影響表面粗糙度值的主要因素，此時水蒸氣的潤滑作用并不明顯。隨著切削速度的增高，水蒸氣冷卻潤滑和干切削的工件表面粗糙度值逐步減小。這是因為當切削速度增高到一定值時，主軸的激振頻率較高，大大高于工藝系統的固有頻率，切削過程變得較為平穩，加工表面的粗糙度值隨之減小，此時水蒸氣的潤滑作用成為主導因素，使得水蒸氣冷卻潤滑加工表面的粗糙度值明顯小于干切削。

3.4 切屑變形系數

圖9給出了水蒸氣冷卻潤滑切削及干切削304不銹鋼的切屑變形系數與進給量關系曲線。很明顯，隨著進給量的增加、變形系數Λh明顯變小，水蒸氣冷卻潤滑條件下變形系數Λh比干切削時減小了8% ～16%。摩擦力是影響變形系數最關鍵的因素，而水蒸氣的潤滑作用減小了刀－屑接觸面的摩擦系數，這就是水蒸氣冷卻潤滑條件下變形系數小于干切削的主要原因。

4 結語

(1)與干切相比，過熱水蒸氣作冷卻潤滑劑切削304不銹鋼時，主切削力減小了6% ～17%，減輕了加工硬化程度，切屑變形系數減小了3% ～6%，并具有較高的加工表面質量。

(2)304不銹鋼切削過程中的硬化主要來自應變硬化本身，馬氏體相變對其硬化的影響較小。

(3)用Al2O3－TiC復相陶瓷刀具切削304不銹鋼時宜采用較高的切削速度，同時進給量也不宜小于0.2 mm/rad。

(4)水蒸氣作冷卻潤滑切削時，能夠起到較好的潤滑作用。并且價格低廉，對環境無污染，可望能實現不銹鋼的綠色加工。

［1］嚴彪.不銹鋼手冊［M］.北京:化學工業出版社，2009.

［2］Baradie M A.Cutting fluids－ part I characterization［J］.Journal of Materials Processing Technology，1996，56(4):786 －797.

［3］劉永姜，王愛玲.微量油膜水滴切削加工不銹鋼的效果試驗研究［J］.現代制造工程，2010(2):9 －12.

［4］王秋成，章振翔.液氮噴霧切削加工0Cr18Ni9不銹鋼的實驗研究［J］.低溫工程，2011，179(1):46 －50.

［5］劉安虎，李文貴，章海濤，等.干式冷風車削不銹鋼的高速鋼刀具磨損試驗研究［J］.制造技術與機床，2007(9):72－74.

［6］Godlevski V A，Volkov A V，Latysher V N，et al.Water steam lubrication during machining［J］.Tribologia，1998，162(6):890 － 901.

［7］劉俊巖.水蒸汽作綠色冷卻潤滑劑的作用機理及切削試驗研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2005.

［8］龐麗君.金屬切削原理［M］.北京:國防工業出版社，2009.

［9］Wright Paul K，Trent E M.Metal cutting［M］.5th ed.Boston:Butterworth－Heineman，2000.

［10］楊釩，黃建龍.304奧氏體不銹鋼應變誘發馬氏體的研究［J］.材料熱處理學報，2011，33(3):104 －109.