辛 民 龍震海

(①中國神華能源股份有限公司鐵路貨車運輸分公司技術部，北京100011;②北京理工大學機械與車輛學院，北京100081)

隨著節(jié)能、環(huán)保概念的宣傳和推廣，少/無切削液加工技術在工業(yè)界也日益受到重視［1-2］。切削液的主要作用是減少切削過程中第一剪切變形區(qū)的切削溫度，改善第二、第三剪切變形區(qū)的邊界潤滑條件［3］。因此，在加工過程中減少甚至取消切削液的使用量，對已加工表面質量和刀具壽命都會產生一定程度的影響。隨著涂層硬質合金、金屬陶瓷、CBN 等高性能刀具材料技術的發(fā)展，干切削條件下的刀具磨損問題逐漸得到改善。但與此同時，對于干切削和少潤滑液切削加工是否會對已加工表面質量及其使用性能產生不利影響的顧慮依舊存在。

本次研究力圖通過干切削與油潤滑條件下的對比車切削工藝試驗，考查邊界潤滑條件下，高強度鋼工件已加工表面幾何輪廓曲線特征參數(shù)的變化規(guī)律，以期深入理解干切削加工機理，闡明加工表面粗糙度特征參數(shù)變化規(guī)律及其對工件表面質量的作用影響。

1 試驗條件

本次試驗研究選用高強度合金鋼30CrMnSiA 為試驗對象，其機械物理性能為:屈服強度800 MPa，硬度40 HRC，斷面收縮率0.27，回火馬氏體組織，晶粒度為8 級。外圓車削削試驗在森精Sl -25 m 型精密數(shù)控機床上進行。車削刀具選用DNMG432 涂層硬質合金車刀片(刀尖圓弧半徑re=0.8 mm)。切削液為常規(guī)油性切削液，與工件軸線90°角垂直澆注。切削速度選擇50、100、150、200 m/min 共4 個水平，進給量固定為0.1 mm/r，背吃刀量固定為0.25 mm。試驗過程中，使用同一刀尖對兩獨立試樣分別進行油潤滑切削和干切削，總切削長度不超過3 m，盡可能保持刀尖刃口磨損狀態(tài)一致。

加工表面輪廓與表面粗糙度指標測量采用的是三豐SV-400 型表面輪廓測量儀，取樣長度2.5 mm，評定長度選擇4 mm，采樣頻率0.5 μm。使用輪廓算術平均偏差Ra和輪廓最大高度Ry作為輪廓曲線的幅值參數(shù)表征。Ra和Ry的計算分別見式(1)、(2)。同一加工表面沿圓周方向均勻分布測量8 次，取平均值為試驗測量值。根據(jù)文獻［4 -8］，使用圓弧刀尖的加工表面粗糙度指標的理論值可以由式(3)和(4)得出。

為進一步表征加工表面輪廓曲線的微觀特征，使用幅值密度函數(shù)ADF(Amplitude Density Function)和輪廓支撐長度率tp，作為輪廓曲線幅度分布特征的表達。幅值密度函數(shù)ADF 是表面輪廓微觀不平度高度的分布函數(shù)，它的圖形曲線可通過如下方法獲得:將輪廓在取樣長度內分為等間距的n(本次研究選擇n=50)個縱坐標;在輪廓峰頂線至輪廓谷底線的區(qū)域內，作若干條平行于中線的等間距平行線;兩相鄰平行線在輪廓線上截取的區(qū)域內，可計得含有n個縱坐標;由各組相鄰平行線分別計取所得得坐標點連線即為幅值分布曲線。輪廓支撐長度率tp是輪廓支撐長度與取樣長度之比，是幅值密度函數(shù)ADF的累積分布。輪廓支撐長度曲線的某一點上，支撐長度率是幅值分布在該點處的累積值。

2 結果與分析

干切削和油潤滑條件下的Ra和Ry值與切削速度之間關系曲線如圖1 所示。圖中水平點劃線為根據(jù)式(3)和式(4)計算所得理論粗糙度指標值RaT=0.39 μm 和RyT=1.56 μm。在所選試驗范圍內，油基切削液的加入對加工表面粗糙度統(tǒng)計值Ra和Ry的影響并不顯著。對于Ra指標而言，在切削速度為50 m/min 時，潤滑條件下的Ra為0.67 μm，優(yōu)于干切削條件下的0.71 μm。隨著切削速度的增加，干切削時的表面粗糙度指標Ra和Ry值均不同程度大于油潤滑條件下所獲得的Ra和Ry值，但相對誤差隨切削速度的增加逐漸減小。

另一個值得注意的現(xiàn)象是，在試驗范圍內，除vc=150 m/min 時實測Ra和Ry值與理論計算值基本相同外，其他速度條件下，Ra和Ry的實測值均大于理論計算值。該現(xiàn)象表明，在進給量0. 1 mm/r 和切削深度0.25 mm條件下，加工表面輪廓的殘留高度不再符合理論幾何輪廓生成機制。材料在不同切削溫度條件下的熱塑性變形以及邊界潤滑的摩擦學特性，將直接影響切削加工表面輪廓。

圖2 為切削速度vc=50 m/min 時，干切削與油潤滑加工表面輪廓的幅值分布曲線與支撐長度率曲線。圖2a 中，橫坐標為某一幅值在子區(qū)間內的出現(xiàn)頻次，縱坐標為該子區(qū)間中點位置所在輪廓幅值。總體上，干切削與油潤滑條件下的輪廓幅值分布規(guī)律基本相同，但在輪廓幅值1.5 μm 處，油潤滑切削加工輪廓上輪廓偏距的概率統(tǒng)計值要高于干切削加工輪廓。此外，油潤滑條件下輪廓點的幅值均小于2 μm，而干切削時最大幅值為3 μm。上述現(xiàn)象表明，vc= 50 m/min 且f= 0. 1 mm/r時，油性切削液的加入會對工件表面輪廓曲線生成產生一定作用，能夠減小粗糙度數(shù)值。

圖2b 中，橫坐標為輪廓支承長度率，縱坐標為輪廓曲線的幅值分布。當tp低于20%或tp高于70%時，油潤滑加工輪廓的幅值要小于干切削加工輪廓，而當tp在20%和70%之間時，油潤滑加工輪廓的幅值要大于干切削加工輪廓?？紤]到輪廓支撐長度率是工件表面耐磨性能的直觀表征，可以得出:若單純以表面輪廓為考查對象，干切削加工表面與油潤滑加工表面的耐磨性將會有一定的差別。

圖3 ～5 分別為切削速度vc為100 m/min、150 m/min 和200 m/min 時的輪廓幅值分布曲線和支承長度率曲線。當切削速度vc為100 m/min 時，油潤滑加工表面輪廓在3 μm 和1.5 μm 幅值處的概率統(tǒng)計值略高于干切削加工表面輪廓。該現(xiàn)象可以解釋為干切削的輪廓幅值的算術平均值Ra=1.15 μm 雖然略大于油潤滑Ra=1.04 μm，但油潤滑時的Ry=5.5 μm 大于干切削時的Ry=4.99 μm。在tp低于40%時，油性切削液的引入對加工表面的耐磨性能略有提高，但不顯著，而當tp高于40 低于80%時，干切削加工表面的耐磨性則略優(yōu)于油潤滑表面。

當切削速度為150 m/min 時，干切削與油潤滑加工表面的耐磨性能差別最為顯著。在輕載條件下(tp小于40%)，油潤滑加工表面的耐磨性能將優(yōu)于干切削加工表面，而在重載條件下(tp高于40%)，干切削加工表面的耐磨性能要好于油潤滑加工表面。當切削速為200 m/min 時，油性切削液的作用基本消失，干切削與油潤滑加工表面的幅值分布曲線和輪廓支撐長度率曲線基本相同。

3 結語

綜合上述試驗結果，可以得出如下研究結論:

(1)高強度鋼此類材料在外圓切削加工中，加工表面粗糙度指標Ra和Ry的統(tǒng)計值，受潤滑條件的影響較小;干切削和油潤滑條件下，隨切削速度的提高，粗糙度指標Ra和Ry的變化趨勢基本保持一致。

(2)在相近的粗糙度指標下，干切削與油潤滑條件下，加工表面的輪廓支承長度率tp的差異，會導致工件表面耐磨性能的改變。因此，高強度鋼工件需根據(jù)實際受載情況，慎重選擇干切削加工工藝。

(3)切削速度200 m/min 時，油性切削液的作用基本消失，干切削和油潤滑條件加工表面無明顯差別。

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