孔金星 鄧飛 趙威 何寧?

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京210016;2.中國(guó)工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng)621900)

純鐵材料具有優(yōu)良的塑性變形能力、沖擊韌性等綜合性能和低廉的價(jià)格［1-2］，廣泛用于航空儀器儀表、爆轟物理試驗(yàn)、加速器等產(chǎn)品中關(guān)鍵零部件的制造［3-4］.該類材料零件不僅要求極高的尺寸精度，還要求優(yōu)良的表面質(zhì)量. 然而，由于純鐵材料的硬度、強(qiáng)度低而塑性、韌性很高，切削時(shí)切屑變形大且加工硬化嚴(yán)重，極易形成積屑瘤，切削區(qū)摩擦劇烈，刀具磨損快，對(duì)零件已加工表面完整性造成不利影響，從而影響純鐵零件的使用性能.

影響工件表面完整性的因素有刀具幾何參數(shù)和涂層、切削工藝參數(shù)、刀具磨損和冷卻潤(rùn)滑方式等［5-8］.良好的冷卻潤(rùn)滑能有效減小刀/屑和刀/工間的摩擦和磨損，帶走切削區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的熱量以降低切削溫度，減少切削過(guò)程中的塑性變形并抑制積屑瘤和鱗刺的生長(zhǎng)，減小刀具磨損并獲得優(yōu)良的工件表面完整性［8-9］.Rotella 等［8］研究了干切、微量潤(rùn)滑(MQL)和低溫冷卻在不同切削速度和進(jìn)給量時(shí)對(duì)Ti6Al4V 表面完整性的影響，認(rèn)為低溫冷卻是提高產(chǎn)品表面質(zhì)量的重要途徑.Umbrello 等［10］的試驗(yàn)證明低溫空氣冷卻時(shí)能減小車削52100 鋼的白層厚度并降低表面顯微硬度值. Fritz 等［11］采用普通冷卻、高壓水冷、MQL 和液氮低溫冷卻4 種冷卻潤(rùn)滑方式加工γ-TiAl 合金材料，認(rèn)為低溫冷卻可以有效降低切削區(qū)的熱沖擊，在減小刀具磨損和提高表面質(zhì)量方面具有明顯優(yōu)勢(shì). Pusavec 等［12］通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了干切、MQL、液氮+MQL、液氮4 種冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)Inconel 718 已加工表面完整性的影響，結(jié)果表明低溫液氮冷卻降低了工件表面塑性變形并產(chǎn)生細(xì)小尺寸晶粒，降低了表面粗糙度，增加了表面硬度和殘余壓應(yīng)力，有利于改善表面完整性.

高精度純鐵零件精加工階段的工藝方法決定了產(chǎn)品最終的表面質(zhì)量和加工精度，因此文中針對(duì)純鐵材料的精加工，研究干切、水冷、MQL 和菜籽油潤(rùn)滑4 種方式對(duì)純鐵車削表面完整性的影響機(jī)理，為優(yōu)化純鐵零件車削工藝、選擇合適的冷卻潤(rùn)滑方式、提高工件加工精度和表面完整性提供數(shù)據(jù)支撐.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料及熱處理狀態(tài)

試驗(yàn)用純鐵材料為太原鋼鐵公司提供的原始棒料(執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)Q/TB 3045—2007)，經(jīng)1000 ～1250 ℃高溫鍛造，空冷后加工為φ60 mm ×150 mm 試樣，該材料的化學(xué)成分如表1 所示.

表1 純鐵材料的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of pure iron %

1.2 冷卻潤(rùn)滑方式及切削參數(shù)

在純鐵零件的高精度車削過(guò)程中，傳統(tǒng)的冷卻潤(rùn)滑方法是在工件表面涂刷菜籽油以增加潤(rùn)滑性能，進(jìn)而減小刀具磨損并保證工件表面質(zhì)量的一致性.近年來(lái)，MQL 技術(shù)因其良好的環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性和潤(rùn)滑性能，在生產(chǎn)加工中得到了廣泛應(yīng)用［13-14］. 因此選擇水冷、MQL、菜籽油潤(rùn)滑和干切4 種冷卻潤(rùn)滑方式進(jìn)行純鐵車削表面完整性的對(duì)比試驗(yàn).MQL 冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)為安默林公司的OoW129AC-2 型設(shè)備，采用兩個(gè)噴嘴對(duì)刀具前、后刀面噴射. MQL 單個(gè)噴嘴潤(rùn)滑油流量為80 mL/h，進(jìn)氣壓力為0.55 MPa，噴嘴到刀尖距離固定為20 mm. 刀片為DCGT11T302 K313 鋒利型非涂層硬質(zhì)合金刀具，刀柄型號(hào)為SDJCL2525M11，安裝后刀具主偏角為93°，刀具前角15°，后角7°，刃傾角10°.切削試驗(yàn)在國(guó)產(chǎn)MJ520 數(shù)控車床上進(jìn)行，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速范圍:35 ～3500 r/min.

表面完整性測(cè)試采用精加工階段的工藝參數(shù)，切削參數(shù)固定為:切削速度v =100 m/min，進(jìn)給量f=0.12 mm/r，切削深度ap=0.2 mm.

1.3 測(cè)試儀器

切削力測(cè)試儀器為Kistler 9257B 型動(dòng)態(tài)測(cè)力儀.加工后的工件表面三維形貌及粗糙度采用Taylor Hobson 公司的Tailsurf CCI 白光干涉儀測(cè)量. 表面殘余應(yīng)力采用XStress 3000 型應(yīng)力儀沿工件圓周切線和軸向兩個(gè)方向測(cè)量，在每個(gè)試驗(yàn)件的不同方位測(cè)量5 次，然后取均值.測(cè)試方法為X 射線衍法，采用Fe 粉校準(zhǔn)，測(cè)試時(shí)使用的靶材為Cr Kα 靶，2θ為156.6°，傾角為±45°.由線切割將已加工工件切割成15 mm×15 mm×10 mm 的試樣，然后經(jīng)鑲嵌、研磨、拋光后進(jìn)行腐蝕，在金相顯微鏡上對(duì)表層金相組織變形進(jìn)行觀測(cè)，并采用MH-5 型維氏硬度計(jì)沿加工表面深度方向測(cè)試顯微硬度值，加載載荷為0.49 N，保持加載時(shí)間為5 s.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面粗糙度和表面形貌

圖1 為相同切削工藝參數(shù)時(shí)，干切、菜籽油潤(rùn)滑、MQL 和水冷4 種方式下工件表面的三維形貌，實(shí)測(cè)的表面粗糙度如圖2 所示.其中表面粗糙度Ra為輪廓算術(shù)平均偏差，Rt為輪廓峰谷最大高度.

根據(jù)文獻(xiàn)［9，15］，表面粗糙度Ra和Rt的理論計(jì)算公式如式(1)、(2)所示:

式中，r 為刀尖圓弧半徑.

根據(jù)式(1)、(2)計(jì)算的表面粗糙度Ra和Rt的理論值分別為2.372 μm 和9 μm，由圖1、2 可知，4種冷卻潤(rùn)滑方式下實(shí)測(cè)的粗糙度Ra和Rt均大于理論值，且4 種冷卻潤(rùn)滑方式下純鐵材料已加工表面均勻間隔突起的棱脊在刀具擠壓作用下產(chǎn)生了嚴(yán)重的塑性側(cè)向流動(dòng)，極大地影響了工件表面粗糙度.

冷卻潤(rùn)滑方式因切削介質(zhì)對(duì)流系數(shù)和散熱方式的不同使得工件表面溫度差異明顯，而且切削力也有較大差別，干切時(shí)切削力最大，其次為水冷方式，而MQL 和菜籽油潤(rùn)滑時(shí)切削力最小，如圖3 所示.受切削力和傳遞給工件熱量的綜合影響，不同冷卻潤(rùn)滑方式下工件表面棱脊處純鐵材料的塑性側(cè)向流動(dòng)能力各不相同，造成棱脊的寬度和高度差異顯著.由圖1 可知，干切時(shí)棱脊寬度最大且凹凸不平，側(cè)向流動(dòng)最為嚴(yán)重，降低了峰谷高度差，使得Rt值最小而Ra值較大;菜籽油潤(rùn)滑時(shí)切削力較小且潤(rùn)滑良好，棱脊寬度比干切小且光滑、均勻，其Ra和Rt值均較小;水冷和MQL 時(shí)因冷卻作用而減小了純鐵材料的塑性側(cè)向流動(dòng)，使得表面棱脊寬度較小但高度增大，且有明顯的凹凸不平，在較大切削力作用下Ra和Rt值均為最大;而MQL 因具有良好的潤(rùn)滑性能和最小的切削力，棱脊寬度小但最為光滑平整，因此Ra值最小而Rt值較大.

圖1 已加工表面的3D 形貌Fig.1 3D topography of machined surface

圖2 表面粗糙度Fig.2 Surface roughness

圖3 4 種冷卻潤(rùn)滑方式下的切削力Fig.3 Cutting force under four cooling/lubrication conditions

2.2 顯微硬度

圖4 平行于切削速度方向的顯微硬度測(cè)量Fig.4 Microhardness measurement along the direction parallel to cutting speed

圖5 沿平行于切削速度方向的顯微硬度對(duì)比Fig.5 Comparison of microhardness along the direction parallel to cutting speed

為避免前后兩個(gè)所測(cè)壓痕顯微硬度值的相互影響，以兩排相互平行且間隔一定距離進(jìn)行顯微硬度的測(cè)量，圖4 所示為平行于切削速度v 沿已加工表面深度方向的測(cè)量方法，測(cè)試結(jié)果如圖5 所示. 可知，4 種冷卻潤(rùn)滑方式下沿表面深度方向的顯微硬度具有相同的變化趨勢(shì)，最大顯微硬度值出現(xiàn)在工件表層部位，隨后呈減小趨勢(shì)，在距離表面約70 μm處與基體硬度基本一致.干切、MQL、菜籽油潤(rùn)滑和水冷時(shí)，在距離表面15 μm 處測(cè)得的顯微硬度值分別為:155.7、170.3、165.8 和179.9 HV. 顯然，不同的冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)純鐵已加工表面的硬化程度具有重要的影響，水冷時(shí)表面顯微硬度值最大，干切時(shí)最小，MQL 和菜籽油潤(rùn)滑時(shí)顯微硬度介于兩者之間.為進(jìn)一步研究冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)純鐵表面硬化程度的影響，按圖6 所示沿平行于進(jìn)給量f 方向分別在刀具副切削刃與工件表面接觸發(fā)生側(cè)向流動(dòng)處和刀具中心與工件表面接觸位置測(cè)量顯微硬度，結(jié)果如圖7 所示.兩種不同測(cè)量位置的顯微硬度的變化趨勢(shì)相同，在距離表面約60 μm 處，顯微硬度值與基體硬度基本一致.由圖7(a)可知，水冷時(shí)在刀具副切削刃與工件表面接觸處具有最大的顯微硬度，而干切時(shí)最小，MQL 和菜籽油潤(rùn)滑時(shí)具有相同的顯微硬度值.圖7(b)為刀具中心與工件接觸處的顯微硬度對(duì)比，水冷和MQL 方式下的顯微硬度值最大，干切時(shí)最小，而菜籽油潤(rùn)滑時(shí)的顯微硬度比干切時(shí)略大.

圖6 平行于進(jìn)給量方向的顯微硬度測(cè)量Fig.6 Microhardness measurement along the direction parallel to feed rate

圖7 沿平行于進(jìn)給量方向的顯微硬度對(duì)比Fig.7 Comparison of microhardness along the direction parallel to feed rate

切削介質(zhì)主要通過(guò)毛細(xì)管滲透原理進(jìn)入切削區(qū)域并形成穩(wěn)定的邊界潤(rùn)滑膜實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑，其冷卻能力Q 可用下式表示［16］:

式中，Δt 為切削區(qū)溫度tw與流體溫度tf的溫差，h為切削液傳熱系數(shù)，m 為流體質(zhì)量.

水冷方式具有最佳的冷卻能力，由切削溫度引起的熱軟化效應(yīng)最小，同時(shí)該方式下切削力較大，因此工件表面呈現(xiàn)明顯的加工硬化. 但是水冷時(shí)在切削溫度的作用下發(fā)生汽化，阻礙了切削液進(jìn)一步滲透進(jìn)切削區(qū)域，使得刀具與工件接觸區(qū)域呈現(xiàn)不同的溫度分布，在刀具中心處和副切削刃與工件接觸處形成的溫度梯度最大，從而造成顯微硬度的明顯差別，如圖7(a)和7(b)所示，在刀具副切削刃與工件接觸的顯微硬度值在距離表面15 μm 處達(dá)到了240 HV，遠(yuǎn)大于刀具中心與工件接觸處的顯微硬度.壓縮空氣的傳熱系數(shù)h 小于水，MQL 散熱能力小于水冷，而且具有最小的切削力，因此表面顯微硬度小于水冷方式. 同時(shí)，MQL 方式下不僅霧化的微米級(jí)潤(rùn)滑介質(zhì)有利于通過(guò)毛細(xì)管滲透進(jìn)切削區(qū)域形成邊界潤(rùn)滑膜，而且壓縮空氣能完全滲透進(jìn)入切削區(qū)域帶走切削熱，在刀具中心處和副切削刃與工件接觸處形成的溫度基本一致，使得刀具副切削刃和刀具中心分別與工件接觸處的顯微硬度相差不大.

干切時(shí)刀/工接觸區(qū)域溫度最高，而純鐵材料具有顯著的熱軟化效應(yīng)，因此工件表面的顯微硬度最小.由于刀具副切削刃與工件接觸處的散熱能力明顯大于刀具中心處，因此刀具中心處的顯微硬度值比刀具副切削刃與工件接觸區(qū)域側(cè)向流動(dòng)處小，如圖7(a)和7(b)所示.同樣，菜籽油潤(rùn)滑時(shí)產(chǎn)生的切削溫度小于干切但大于水冷和MQL 方式，且具有較小的切削力，因此該方式下的顯微硬度值明顯小于水冷和MQL 方式而大于干切方式.

2.3 表面微觀組織

工件取樣、鑲嵌，沿平行于進(jìn)給量f 方向和切削速度v 方向研磨兩個(gè)平面，經(jīng)拋光、腐蝕后在金相顯微鏡下拍攝工件的表面微觀組織，如圖8 所示.

圖8 不同冷卻潤(rùn)滑條件下的微觀組織對(duì)比Fig.8 Microstructure comparison among different cooling/lubrication conditions

由圖8 可知，4 種冷卻潤(rùn)滑方式下已加工表面的晶粒沿切削速度方向被扭曲拉伸，但其扭曲變形程度差異明顯.干切時(shí)已加工表面晶粒被嚴(yán)重拉長(zhǎng)，晶界線因晶粒的扭曲、畸變而變得模糊不清，晶粒變形層深度LD最大.這是因?yàn)楦汕袝r(shí)的切削力和殘留在工件表面的切削溫度最大，使得表面軟化的晶粒在切削力作用下出現(xiàn)嚴(yán)重的塑性變形;水冷時(shí)工件表面的淬火效應(yīng)減小了表層晶粒的變形，其晶粒變形深度LF最小;MQL 和刷菜籽油冷卻潤(rùn)滑時(shí)，已加工表層均存在晶粒剪切拉伸、扭曲現(xiàn)象，存在明顯的剪切流動(dòng)現(xiàn)象，由于MQL 冷卻能力大于菜籽油潤(rùn)滑方式，且切削力相同，導(dǎo)致MQL 時(shí)的晶粒變形深度LM小于菜籽油潤(rùn)滑方式的晶粒變形深度LR.

沿進(jìn)給f 方向的表面金相組織反映了刀具后刀面對(duì)已加工表面擠壓、摩擦以及純鐵材料的側(cè)向流動(dòng)情況.由圖8 可知，4 種冷卻潤(rùn)滑方式下已加工表面均存在明顯的因刀具擠壓而出現(xiàn)嚴(yán)重的塑性側(cè)向流動(dòng)，在刀具后刀面與工件表面接觸區(qū)域也存在明顯的晶粒變形，但晶粒的變形程度和深度小于切削速度方向.

2.4 表面殘余應(yīng)力

圖9 為4 種冷卻潤(rùn)滑方式下工件沿圓周切線方向和軸線進(jìn)給方向?qū)崪y(cè)的表面殘余應(yīng)力.

圖9 已加工表面殘余應(yīng)力Fig.9 Residual stress of machined surface

已加工表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)是由切削過(guò)程中切削力引起的刀具后刀面與加工表面的“擠光效應(yīng)”和刀尖處的“塑性凸出”效應(yīng)以及切削熱引起的熱效應(yīng)綜合作用的結(jié)果［17］. 受到切削區(qū)不均勻熱、力耦合強(qiáng)應(yīng)力場(chǎng)的直接影響，4 種冷卻潤(rùn)滑對(duì)切向表面殘余拉應(yīng)力大小的影響順序?yàn)?干切、菜籽油潤(rùn)滑、MQL 和水冷，對(duì)軸向殘余應(yīng)力的影響順序?yàn)椴俗延蜐?rùn)滑、MQL、水冷和干切.對(duì)于高塑性純鐵材料的車削加工，切削工藝參數(shù)相同時(shí)，4 種冷卻潤(rùn)滑方式下已加工表面的晶粒沿圓周切線方向和進(jìn)給方向均具有明顯的塑性變形，且沿切向的晶粒扭曲變形更為嚴(yán)重，如圖8 所示，呈現(xiàn)出明顯的“塑性凸出”效應(yīng)，而“擠光效應(yīng)”和殘留在工件表面的切削熱引起的熱效應(yīng)對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的影響較小，使得4 種冷卻潤(rùn)滑方式下軸向和切向的應(yīng)力值差別較小，即冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)純鐵材料加工表面殘余應(yīng)力影響不大.如圖9 所示，干切、水冷、MQL 和菜籽油潤(rùn)滑時(shí)軸向和切向?qū)崪y(cè)殘余應(yīng)力的差值僅為38.1 和29.2 MPa，該差值遠(yuǎn)小于軸向和切向殘余應(yīng)力值，因此冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)純鐵精加工階段的表面殘余應(yīng)力影響較小.純鐵材料已加工表面具有顯著的“塑性凸出”效應(yīng)，使得已加工表面沿圓周切線方向和軸線進(jìn)給方向均呈現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，而且切向應(yīng)力大于軸向應(yīng)力.

3 結(jié)論

文中針對(duì)干切、MQL、水冷和菜籽油潤(rùn)滑4 種冷卻潤(rùn)滑方式下純鐵材料精加工表面完整性的影響規(guī)律進(jìn)行了分析，主要得出以下結(jié)論:

(1)4 種冷卻潤(rùn)滑方式下純鐵工件表面粗糙度差異顯著，已加工表面發(fā)生嚴(yán)重的塑性側(cè)向流動(dòng)，對(duì)表面粗糙度Ra的影響由大到小依次為水冷、干切、菜籽油潤(rùn)滑、MQL，對(duì)Rt的影響順序?yàn)樗洹QL、菜籽油潤(rùn)滑和干切.

(2)純鐵表面呈現(xiàn)顯著的加工硬化，4 種冷卻潤(rùn)滑方式下表面顯微硬度具有相同的變化趨勢(shì)，表層硬度最大，隨后減小至基體硬度，硬化層深度為60 ～70 μm.干切時(shí)工件表面顯微硬度最小，水冷時(shí)最大，MQL 和涂刷菜籽油潤(rùn)滑介于干切和水冷之間.

(3)純鐵已加工表面微觀組織呈現(xiàn)明顯的扭曲拉伸狀塑性變形，4 種冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)沿切削速度方向的表層晶粒塑性變形程度具有顯著的影響. 干切時(shí)塑性變形層深度最大，其次為菜籽油潤(rùn)滑和MQL，水冷時(shí)最小.

(4)純鐵已加工表面具有顯著的“塑性凸出”效應(yīng)，4 種冷卻潤(rùn)滑下切向和軸向均呈殘余拉應(yīng)力，且切向應(yīng)力大于軸向應(yīng)力，冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)軸向和切向殘余應(yīng)力值影響不大.

(5)切削參數(shù)相同時(shí)，綜合比較4 種冷卻潤(rùn)滑方式下的表面粗糙度、表層微觀組織和顯微硬度以及殘余應(yīng)力等表面完整性特征參數(shù)發(fā)現(xiàn)，MQL 方式更有利于提高純鐵材料已加工表面質(zhì)量.

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