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316L不锈钢车削用刀片的槽型结构对切削性能的影响龙顺建1何云1秦斌1陈明2（1.华东理工大学，上海，200237；2.株洲精工硬质合金有限公司，湖南株洲，412007）摘要316L具有优良的耐腐蚀性能，是目前较为广泛应用的奥氏体不锈钢。本文以316L不锈钢为研究对象，选择EM（大前角）、SM3（小反屑角）、MM（小前角）、SF（大反屑角）等四款槽型结构的硬质合金刀片，在半精加工的加工参数下进行切削加工，研究不锈钢车削刀片不同槽型几何结构对切削性能的影响规律。结果表明：EM和MM刀片切削力相对最低，刀片槽型反屑角越小，切削力越小，结合槽型特征说明合理的双前角设计利于减小切削力；刀片的断屑能力主要与反屑角的大小以及进给量有关，在不引起切削力显著增大的前提下，将反屑角设计在20左右，可以获得良好的断屑性能；MM刀片在小进给和切削深度下加工表面粗糙度较好，但受到工艺参数显著影响，EM刀片加工表面粗糙度最佳且稳定；从四种刀片的磨损情况来看，EM刀片在半精加工的工艺参数下抗磨损性能最佳。关键词断屑槽；316L；槽型结构；切削性能Influence of Groove Structure of 316L Stainless Steel Turning Inserts on Cutting PerformanceLong Shunjian1He Yun1QIN Bin1Chen Ming2（1.East China University of Science and Technology,Shanghai,200237,China;2.Zhuzhou Seiko Carbide Co.Ltd,Zhuzhou Hunan,412007,China）ABSTRACT316L has excellent corrosion resistance and is currently the most widely used austenitic stainless steel.Inthis paper,316L stainless steel was taken as the research object,and four cemented carbide inserts of EM(large rake angle),SM3(small chip angle),MM(small rake angle,and SF(large chip angle)with different groove structures were selected to beprocessed under the parameters of semi-finishing machining.The influence of different groove structures of stainless steelturning inserts on cutting performance was studied.The results show that the EM and MM inserts have the lowest cuttingforce.A smaller chip angle of the insert groove indicates a lower cutting force.Combined with the characteristics of thegroove,it shows that the reasonable double rake angle design is conducive to reducing the cutting force,and the chipbreaking ability of the inserts is mainly related to the size of the chip angle and the feed.In addition,when the chip angle isdesigned at 20,good chip breaking performance can be obtained without causing a significant increase in the cutting force.作者简介：龙顺建（1998），男，硕士研究生，研究方向：精密加工。E-mail:。通信作者：何云（1963），男，教授，研究方向：切削理论与刀具。E-mail:。DOI：10.3969/j.issn.1003-7292.2024.01.007引文格式：龙顺建，何云，秦斌，等.316L不锈钢车削用刀片的槽型结构对切削性能的影响J.硬质合金，2024，41（1）：54-60.LONG S J,HE Y,QIN B,et al.Influence of groove structure of 316L stainless steel turning inserts on cutting performanceJ.Cemented Carbides,2024,41(1)：54-60.材料科学与工程2024年2月Feb.2024第41卷第1期Vol.41 No.1硬质合金CEMENTED CARBIDES第40卷The MM insert has good surface roughness under small feed and cutting depth,but it is significantly affected by the processparameters.The surface roughness of the EM insert is the most stable.According to the wear of the four inserts,the EMinsert has the best anti-wear performance under the process parameters of semi-finishing machining.KEY WORDSchip breaker;316L;groove structure;cutting performance不锈钢是以耐氧化、耐腐蚀为主要特性，且铬含量至少为 10.5%，碳含量最大不超过 1.2%的钢。不锈钢因其优异的耐腐蚀性和表面光泽在航空航天、船舶、车辆、医疗器械等工业生产中都有广泛的应用。但是其加工性较差，一方面因为加工硬化严重，在切削力的作用下部分奥氏体组织会转变为马氏体，同时化合物杂质在切削热作用下易于分解呈弥散分布，在表面形成硬化层，以奥氏体不锈钢1最为明显；另一方面材料热强度高、导热系数低且切削温度高，切屑不易卷曲和折断，且黏刀现象严重，刀片易产生积屑瘤，积屑瘤脱落时带走刀具表面材料，加剧刀具磨损。刀片的切削性能与断屑槽结构以及加工参数息息相关。断屑槽结构主要尺寸2有：前角0、反屑角、棱带宽度br1、刃口高度h、槽宽Wn以及槽深H，如图1所示。为更加有针对性地设计不锈钢加工刀片槽型几何结构，国内外研究人员对刀具不同特征量进行分析，探究其对切削性能的影响规律。图1 槽型结构示意图Fig.1 Groove structure断屑槽与切屑形态息息相关，中山一雄最先提出断屑槽与切屑的关系:切屑受挤压而卷曲是由于断屑槽施加弯矩作用的结果，并认为断屑槽型的不同会导致断屑性能的不同3。Bouzakis4对刀具切削刃圆度进行了研究，发现经激光处理切削刃的切削性能有所改善。国内学者韩玉娟5对可转位刀片断屑槽几何参数对断屑的影响进行了分析，并指出在不同的加工条件下如何正确选择断屑槽几何参数。陈冬华等人6为了进一步研究带减摩槽的M类H维槽型刀片与普通M类H维槽型刀片在切削力和断屑性能上的差别，发现减摩槽一定程度上能提升槽型刀片的断屑能力和抗磨能力。谢锂等7通过金属切削仿真软件以及切削加工的实验结果表明刀片槽型几何参数能够影响刨槽加工时的切屑类型，且切削温度除受切削速度、进给量和切削深度影响之外，还受前角、刃倾角及排屑等因素的影响。尹江华等8通过分析两种进口精车不锈钢断屑槽刀片，对该正角刀片的槽型进行测绘并进行切削对比试验，结果表明：刀片的前角、刃宽和复合断屑台在加工不锈钢时对断屑起关键作用。除了切屑形态之外，断屑槽型对刀具寿命以及工件加工表面粗糙度等性能也有一定的影响。宁邵鹏9经过切削实验研究发现刀具槽型结构对刀具的切削温度和磨损有着显著的影响。优化后的槽形结构改善了前刀面的摩擦情况，从而有效地降低了切削温度，增加了刀具的有效工作时间。叶延挥等10采用干式切削实验研究不同槽型几何参数对半精加工C型刀片切削调质45#钢的切削力和断屑性能的影响规律，得到了切削力与第一前角的线性方程，发现反屑角是影响断屑性能的重要参数。赵强祥等11-13通过对不同槽型硬质合金刀片进行切削实验研究，分析比较了具有不同槽型特点的刀片在切削性能上的差异，发现较大的第一前角与变槽宽设计能有效提高刀片的抗崩性能。目前针对316L干式车削加工的槽型优化研究较少，借鉴于现有对槽型结构的研究，本文选取了4款具有不同槽型结构的刀片进行切削实验，对比槽型几何参数特点，通过切削实验研究槽型参数与切屑形态、加工表面粗糙度、寿命以及切削力的关系，进一步完善对槽型结合结构与切削性能关系的研究，对于刀片的优化设计以及316L的半精密加工有一定借鉴价值。1 实验方案1.1 实验刀具车削实验中采用的刀片型号为 CNMG120408，选用 4 种不同槽型的正角刀片，槽型代号分别为hbwnH0102r龙顺建何云秦斌陈明：316L不锈钢车削用刀片的槽型结构对切削性能的影响-55硬质合金第40卷EM、SM3、MM、SF，刀片实物图如图2所示，在Mitutoyo-C-3200轮廓测量仪上测得槽型主要尺寸如表1所示。EM为某刀具公司的不锈钢车削槽型，MM槽型与EM槽型均有双前角设计，MM槽型在EM槽型基础上减小了前角，增大了槽宽，其余参数相同；SM3槽型在EM基础上增大了反屑角、槽深和槽宽，其中反屑角只增加了2，槽深和槽宽等比例增加，增加系数为1.4；SF槽型在EM基础上反屑角和槽深提高一倍。1.2 工件材料实验采用的工件材料是316L不锈钢，工件材料的化学成分以及机械性能如表2和表3所示。1.3 实验设备切削实验设备采用HK63B数控车床，机床最大行程 370 mm1 310 mm，最大回转直径 360 mm，主轴最大转速1 120 r/min，主轴最大电机功率11 kW，使用 Mitutoyo C-3200 轮廓仪测绘槽型尺寸，使用VTM-2010G影像仪观测刀片磨损形貌，实验设备如图3所示。2 实验结果与数据分析2.1 切削力实验对4款C型刀片在以下参数下（vc=75 m/min；f=0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 mm/r；ap=1、1.5、2、2.5、3 mm）进行切削实验，切削材料为316L不锈钢，得到了如表4所示的不同切削参数下的切削力实验结果，图4为试验组下各槽型刀片的切削力对比示意图。通过表4可知，1-5、6-10、11-15、16-20、20-25为同一切削深度下的试验，不同槽型刀片的切削力变化趋势大致相同，都是随着切削深度和进给量的增大而增大。SF刀片的前角和反屑角是最大的，由图4可以看出在不同的切削参数下SF刀片切削力是最大的。图2 刀具实物图Fig.2 Physical map of tool表1 刀具槽型关键尺寸Table 1 Key dimension of insert grooveProfile grooveEMMMSM3SFbr1/mm0.050.030.030.0701/()149141402/()1820-h/mm0.140.120.180.15/()19192140H/mm0.240.210.310.47Wn/mm1.432.081.721.31Cr1618Ni1215Si1P0.035S0.03C0.03Mn2Yiled strength/MPa480Tensile strength/MPa40Hardness（HB）187Density/gcm37.87Specific heat/J(gC)10.502Melting point/C1 3711 398表3 316L机械性能Table 3 Mechanical properties of 316L表2 316L化学成分质量分数Table 2 Chemical composition of 316L%EMMMSM3SF-56第40卷对比SF刀片和EM、SM3刀片，三者槽型结构的区别在于反屑角和槽深的不同，EMSM3SF，切削力EMSM3SF，结果表明：在相同的切削条件下，刀片槽型反屑角越小，切削力越小。MM刀片和EM刀片切削力相当且相对较小，可见槽型优化中采用合理的双前角设计可减小切削力。根据表4中同一切削深度实验对比，进给量增加50%，切削力增加15%20%；同一进给量实验对比，切削深度增加50%，切削力增加25%40%，可知对切削力的影响力排序为：进给量切削深度。在切削深度较大的时候切削力随进给量的变化趋势明显增大，因为 316L 不锈钢的比热和弹性模量较大，一方面随着进给量的增大，刀片与切屑的摩擦将图3 实验设备Fig.3 Testing equipment表4 切削力实验结果Table 4 Experimental results of cutting forceOrder12345678910111213141516171819202122232425ap/mm111111.51.51.51.51.5222222.52.52.52.52.533333f/(mm/r)0.10.150.20.250.30.10.150.20.250.30.10.150.20.250.30.10.150.20.250.30.10.150.20.250.3F/NEM3834885987068155537028641 0271 2157048901 0731 3091 5568511 0661 3021 5591 9089931 2521 5121 8142 155MM3824906096948215587088651 0091 2277099001 0801 2731 5428701 0881 2871 5261 8461 0281 2761 5011 7942 140SM33894996137178225647268911 0581 2546968971 1061 3331 5798441 0841 3131 6061 9459661 2431 5021 8282 254SF3914996197398595687549321 1151 3047169401 1611 3621 6188741 1471 4011 6431 9949721 2691 5421 8302 234图4 不同槽型刀片切削力对比Fig.4 Cutting force comparison of inserts with differentgroovesBOSHI HK63B2 5002 0001 5001 0005000F/N0510152025Experimental run orderMitutoyo C-3200VTM-2010GMitutoyo SI-210CNMG120408Inner viewKistlerEMMMSM3SF龙顺建何云秦斌陈明：316L不锈钢车削用刀片的槽型结构对切削性能的影响-57硬质合金第40卷增大，另一方面热量积聚使得刀尖部分材料软化，影响正常切削加工的进行；随着切削深度的增加，刀片切削厚度增加，切削刃克服的分子结合力增加，切削力随之增加。2.2 断屑实验继续对4款C型刀片进行外圆车削断屑实验，在实验参数：vc=120 m/min；ap=1、1.5、2、2.5 mm；f=0.1、0.15、0.2、0.25 mm/r下进行全因子实验。观察切削时切屑的形态以及断屑方式，不同参数下四款槽型刀片的切屑形态如图5图8所示。由图5图8可知，EM刀片的断屑范围最大，断屑范围切削参数为 f0.15 mm/r，ap1.5 mm，SM3和MM刀片的断屑范围一致居中，断屑范围切削参数为f0.2 mm/r，ap1 mm，SF刀片的断屑范围最窄，断屑范围切削参数为f0.25 mm/r，ap1 mm，且SF刀片在ap=1 mm时出现非正常切屑碎末状切屑。不同槽型刀片随着进给量的增大，其断屑效果随之上升；随着切削深度增大，断屑效果下降，且进给量对刀具断屑性能的影响更加明显。由表1可知，SM3刀片前角最小，其他三款刀片前角相同，SM3、EM 和 MM 刀片反屑角皆是 20左右，SF刀片反屑角为40。EM刀片的大前角提高了刀片的刃口锋利度，结合其断屑性能得以提高。SM3槽型前角较小，槽宽较大，不适合小进给量参数图5 EM不同切削参数下的切屑形态Fig.5 Chip morphology under different cuttingparameters of EM图6 MM不同切削参数下的切屑形态Fig.6 Chip morphology under different cuttingparameters of MM图7 SM3不同切削参数下的切屑形态ig.7 Chip morphology under different cuttingparameters of SM3图8 SF不同切削参数下的切屑形态Fig.8 Chip morphology under different cuttingparameters of SF11.52.02.5ap/mmf/(mm/r)0.10.150.200.2511.52.02.5ap/mmf/(mm/r)0.10.150.200.2511.52.02.5ap/mmf/(mm/r)0.10.150.200.2511.52.02.5ap/mmf/(mm/r)0.10.150.200.25-58第40卷的切削加工，断屑范围较窄。SF刀片具有最大的反屑角，反屑角影响断屑槽背对切屑的卷曲和阻碍作用，反屑角过大，易造成过断屑，所以SF刀片断屑能力较差。结果表明刀片槽型几何结构中反屑角对刀片断屑能力影响最大，槽型优化设计时将反屑角设计在20左右，可以获得更良好的断屑性能。2.3 磨损实验根据断屑实验得到的 4 种槽型刀具的断屑范围，选择断屑性能最佳的切削参数：切削速度vc=120m/min,ap=2.5 mm，f=0.25 mm/r进行磨损实验，探究不同槽型刀片的抗磨损性能。不同槽型刀片后刀面磨损形态如图9所示，刀片加工寿命以及失效形式如表5所示。如表5和图9所示，四款槽型刀片的寿命为EM=MMSM3 SF，EM刀片处于正常磨损阶段，切削时间到18 min时后刀面磨损量为0.248 6 mm，磨损量波动较小；MM和SF刀片刀尖发生崩刃，磨损剧烈；SM3刀片加工12 min时出现较大涂层脱落导致刀具失效。316L不锈钢加工粘刀现象严重，切屑极易粘附在刀尖导致切削力急剧增加，脱落时带走刀具部分材料导致崩刃。由表1可知，EM槽型刀片具有较大的前角能够提高刀具的锋利度，使得切削更加轻快，在半精加工切削参数下刀具的加工寿命更长；MM槽型前角最小，刀尖锋利度不够从而出现黏屑的粘附和脱落导致刀尖崩刃；SM3槽型结构与EM区别在于反屑角和槽深，在磨损中后期涂层出现脱落现象，分析是断屑能力不佳导致热量积聚在主切削刃，从而降低刀具涂层和基体的结合力，导致了刀具的提前失效；SF 槽型刀片的棱带与断屑台高度差较大，在切削过程中刀尖所受弯矩较大，所以在磨损后期出现严重的挤压变形，导致刀具过早失效。结果表明：在切削速度为120 m/min时EM槽型刀片具有更佳的抗磨损和抗崩性能。2.4 粗糙度实验对4款C型刀片在两组参数下（vc=75 m/min、f=0.1 mm/r、ap=1 mm；vc=75 m/min、f=0.3 mm/r、ap=1.5mm）加工后，工件表面的粗糙度如表6、表7所示。由表6可知，在较小的同一切削参数下，MM刀片加工的表面质量最佳，EM和SF其次，SM3刀片加工的表面质量较差；由表7可知提高进给量和切削深度后，SM3 和 MM 刀片的加工表面粗糙度增加，EM基本保持稳定，SF刀片的加工表面粗糙度降低。根据表1可知，MM槽型和EM槽型相比通过减小前角能提高表面加工质量，但在f=0.3 mm/r,ap=1.5 mm的参数下易因锋利度不够而降低加工表面图9 不同槽型刀片的后刀面磨损形态Fig.9 Flank wear patterns of inserts with different groovesGrooveEMMMSM3SFTool life18 min18 min12 min8 minAbrasionWearTippingDisbondingTipping表5 刀片槽型、刀片寿命及失效形式Table 5 Groove、Tool life and Abrasion表6 vc=75 m/min,f=0.1 mm/r,ap=1 mm的加工表面粗糙度Table 6 Surface roughness under machining ofvc=75 m/min,f=0.1 mm/r,ap=1 mmProfile grooveEMMMSM3SF11.0590.2931.5271.41721.1330.5451.6611.41631.0770.5041.6241.160Mean1.090.4471.6041.331Profile grooveEMMMSM3SF10.9771.6271.4131.20021.0721.9371.8071.17930.9981.8222.0661.210Mean1.0161.7951.7621.196表7 vc=75 m/min,f=0.3 mm/r,ap=1.5 mm的加工表面粗糙度Table 7 Surface roughness under machining ofexperimental vc=75 m/min,f=0.3 mm/r,ap=1.5 mmEMMMSM3SF龙顺建何云秦斌陈明：316L不锈钢车削用刀片的槽型结构对切削性能的影响-59硬质合金第40卷精度；EM和SM3、SF相比，在同一前角下减小反屑角能提高表面加工质量，较大的反屑角加大切屑与已加工表面的接触，表面粗糙度随之上升。实验结果表明：在切削速度为75 m/min时前角较大、反屑角较小的EM槽型加工表面质量以及稳定性较好。3 结论本文研究了不同槽型几何参数干式车削316L不锈钢的切削性能的影响，得到以下结论：（1）影响切削力大小的最大因素是切削深度，其次是进给量。在相同的切削条件下，刀片槽型反屑角越小，切削力越小，槽型优化设计时采用合理的双前角设计有助于减小切削力。（2）EM 刀片的断屑范围以及切屑形态都较为理想，说明刀片的槽型几何参数与加工参数都会影响断屑性能且进给量对切削力的影响力最大，当反屑角在20左右时，切削刀片的断屑性能最佳，反屑角控制在20左右有利于提高刀片断屑能力，。（3）EM 刀片具有最长的加工寿命和最稳定的磨损形态，说明EM刀片的槽型结构适合316L的半精车削加工。切削速度120 m/min时槽型优化时，适当提高前角、减小反屑角能有效提高刀具寿命，减少崩刃等不正常失效形式的发生。（4）减小前角能提高刀片加工质量，但在 f=0.3 mm/r,ap=1.5 mm的工艺参数中由于刀尖锋利度不够影响加工表面精度，且表面加工质量不稳定。为提高加工表面精度，槽型优化时考虑适当增大前角、减小反屑角有利于提高刀片在较高切削速度下的加工表面质量以及稳定性。参考文献REFERENCES1 周建涛硬质合金刀具车削半奥巧体沉淀硬化不铸钢的磨损机理研究D山东：山东大学，2010.ZHOU J T.Study on wear mechanism of cemented carbide tool turningsemi-Olympian precipitation hardening non-cast steelD.Shandong:Shandong University,2010.2 DENKENA B,KRDEL A,GROVE T.On the pulsed laser ablationof polycrystalline cubic boron nitrideInfluence of pulse duration andmaterial 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