冷却润滑方式对纯铁车削表面完整性的影响*

孔金星 邓飞 赵威 何宁†

(1.南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京210016;2.中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所，四川 绵阳621900)

纯铁材料具有优良的塑性变形能力、冲击韧性等综合性能和低廉的价格［1-2］，广泛用于航空仪器仪表、爆轰物理试验、加速器等产品中关键零部件的制造［3-4］.该类材料零件不仅要求极高的尺寸精度，还要求优良的表面质量. 然而，由于纯铁材料的硬度、强度低而塑性、韧性很高，切削时切屑变形大且加工硬化严重，极易形成积屑瘤，切削区摩擦剧烈，刀具磨损快，对零件已加工表面完整性造成不利影响，从而影响纯铁零件的使用性能.

影响工件表面完整性的因素有刀具几何参数和涂层、切削工艺参数、刀具磨损和冷却润滑方式等［5-8］.良好的冷却润滑能有效减小刀/屑和刀/工间的摩擦和磨损，带走切削区内产生的热量以降低切削温度，减少切削过程中的塑性变形并抑制积屑瘤和鳞刺的生长，减小刀具磨损并获得优良的工件表面完整性［8-9］.Rotella 等［8］研究了干切、微量润滑(MQL)和低温冷却在不同切削速度和进给量时对Ti6Al4V 表面完整性的影响，认为低温冷却是提高产品表面质量的重要途径.Umbrello 等［10］的试验证明低温空气冷却时能减小车削52100 钢的白层厚度并降低表面显微硬度值. Fritz 等［11］采用普通冷却、高压水冷、MQL 和液氮低温冷却4 种冷却润滑方式加工γ-TiAl 合金材料，认为低温冷却可以有效降低切削区的热冲击，在减小刀具磨损和提高表面质量方面具有明显优势. Pusavec 等［12］通过试验对比了干切、MQL、液氮+MQL、液氮4 种冷却润滑方式对Inconel 718 已加工表面完整性的影响，结果表明低温液氮冷却降低了工件表面塑性变形并产生细小尺寸晶粒，降低了表面粗糙度，增加了表面硬度和残余压应力，有利于改善表面完整性.

高精度纯铁零件精加工阶段的工艺方法决定了产品最终的表面质量和加工精度，因此文中针对纯铁材料的精加工，研究干切、水冷、MQL 和菜籽油润滑4 种方式对纯铁车削表面完整性的影响机理，为优化纯铁零件车削工艺、选择合适的冷却润滑方式、提高工件加工精度和表面完整性提供数据支撑.

1 试验方案

1.1 试验材料及热处理状态

试验用纯铁材料为太原钢铁公司提供的原始棒料(执行标准Q/TB 3045—2007)，经1000 ～1250 ℃高温锻造，空冷后加工为φ60 mm ×150 mm 试样，该材料的化学成分如表1 所示.

表1 纯铁材料的化学成分Table 1 Chemical composition of pure iron %

1.2 冷却润滑方式及切削参数

在纯铁零件的高精度车削过程中，传统的冷却润滑方法是在工件表面涂刷菜籽油以增加润滑性能，进而减小刀具磨损并保证工件表面质量的一致性.近年来，MQL 技术因其良好的环保性、经济性和润滑性能，在生产加工中得到了广泛应用［13-14］. 因此选择水冷、MQL、菜籽油润滑和干切4 种冷却润滑方式进行纯铁车削表面完整性的对比试验.MQL 冷却润滑系统为安默林公司的OoW129AC-2 型设备，采用两个喷嘴对刀具前、后刀面喷射. MQL 单个喷嘴润滑油流量为80 mL/h，进气压力为0.55 MPa，喷嘴到刀尖距离固定为20 mm. 刀片为DCGT11T302 K313 锋利型非涂层硬质合金刀具，刀柄型号为SDJCL2525M11，安装后刀具主偏角为93°，刀具前角15°，后角7°，刃倾角10°.切削试验在国产MJ520 数控车床上进行，机床主轴转速范围:35 ～3500 r/min.

表面完整性测试采用精加工阶段的工艺参数，切削参数固定为:切削速度v =100 m/min，进给量f=0.12 mm/r，切削深度ap=0.2 mm.

1.3 测试仪器

切削力测试仪器为Kistler 9257B 型动态测力仪.加工后的工件表面三维形貌及粗糙度采用Taylor Hobson 公司的Tailsurf CCI 白光干涉仪测量. 表面残余应力采用XStress 3000 型应力仪沿工件圆周切线和轴向两个方向测量，在每个试验件的不同方位测量5 次，然后取均值.测试方法为X 射线衍法，采用Fe 粉校准，测试时使用的靶材为Cr Kα 靶，2θ为156.6°，倾角为±45°.由线切割将已加工工件切割成15 mm×15 mm×10 mm 的试样，然后经镶嵌、研磨、抛光后进行腐蚀，在金相显微镜上对表层金相组织变形进行观测，并采用MH-5 型维氏硬度计沿加工表面深度方向测试显微硬度值，加载载荷为0.49 N，保持加载时间为5 s.

2 试验结果与分析

2.1 表面粗糙度和表面形貌

图1 为相同切削工艺参数时，干切、菜籽油润滑、MQL 和水冷4 种方式下工件表面的三维形貌，实测的表面粗糙度如图2 所示.其中表面粗糙度Ra为轮廓算术平均偏差，Rt为轮廓峰谷最大高度.

根据文献［9，15］，表面粗糙度Ra和Rt的理论计算公式如式(1)、(2)所示:

式中，r 为刀尖圆弧半径.

根据式(1)、(2)计算的表面粗糙度Ra和Rt的理论值分别为2.372 μm 和9 μm，由图1、2 可知，4种冷却润滑方式下实测的粗糙度Ra和Rt均大于理论值，且4 种冷却润滑方式下纯铁材料已加工表面均匀间隔突起的棱脊在刀具挤压作用下产生了严重的塑性侧向流动，极大地影响了工件表面粗糙度.

冷却润滑方式因切削介质对流系数和散热方式的不同使得工件表面温度差异明显，而且切削力也有较大差别，干切时切削力最大，其次为水冷方式，而MQL 和菜籽油润滑时切削力最小，如图3 所示.受切削力和传递给工件热量的综合影响，不同冷却润滑方式下工件表面棱脊处纯铁材料的塑性侧向流动能力各不相同，造成棱脊的宽度和高度差异显著.由图1 可知，干切时棱脊宽度最大且凹凸不平，侧向流动最为严重，降低了峰谷高度差，使得Rt值最小而Ra值较大;菜籽油润滑时切削力较小且润滑良好，棱脊宽度比干切小且光滑、均匀，其Ra和Rt值均较小;水冷和MQL 时因冷却作用而减小了纯铁材料的塑性侧向流动，使得表面棱脊宽度较小但高度增大，且有明显的凹凸不平，在较大切削力作用下Ra和Rt值均为最大;而MQL 因具有良好的润滑性能和最小的切削力，棱脊宽度小但最为光滑平整，因此Ra值最小而Rt值较大.

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

图2 表面粗糙度Fig.2 Surface roughness

图3 4 种冷却润滑方式下的切削力Fig.3 Cutting force under four cooling/lubrication conditions

2.2 显微硬度

图4 平行于切削速度方向的显微硬度测量Fig.4 Microhardness measurement along the direction parallel to cutting speed

图5 沿平行于切削速度方向的显微硬度对比Fig.5 Comparison of microhardness along the direction parallel to cutting speed

为避免前后两个所测压痕显微硬度值的相互影响，以两排相互平行且间隔一定距离进行显微硬度的测量，图4 所示为平行于切削速度v 沿已加工表面深度方向的测量方法，测试结果如图5 所示. 可知，4 种冷却润滑方式下沿表面深度方向的显微硬度具有相同的变化趋势，最大显微硬度值出现在工件表层部位，随后呈减小趋势，在距离表面约70 μm处与基体硬度基本一致.干切、MQL、菜籽油润滑和水冷时，在距离表面15 μm 处测得的显微硬度值分别为:155.7、170.3、165.8 和179.9 HV. 显然，不同的冷却润滑方式对纯铁已加工表面的硬化程度具有重要的影响，水冷时表面显微硬度值最大，干切时最小，MQL 和菜籽油润滑时显微硬度介于两者之间.为进一步研究冷却润滑方式对纯铁表面硬化程度的影响，按图6 所示沿平行于进给量f 方向分别在刀具副切削刃与工件表面接触发生侧向流动处和刀具中心与工件表面接触位置测量显微硬度，结果如图7 所示.两种不同测量位置的显微硬度的变化趋势相同，在距离表面约60 μm 处，显微硬度值与基体硬度基本一致.由图7(a)可知，水冷时在刀具副切削刃与工件表面接触处具有最大的显微硬度，而干切时最小，MQL 和菜籽油润滑时具有相同的显微硬度值.图7(b)为刀具中心与工件接触处的显微硬度对比，水冷和MQL 方式下的显微硬度值最大，干切时最小，而菜籽油润滑时的显微硬度比干切时略大.

图6 平行于进给量方向的显微硬度测量Fig.6 Microhardness measurement along the direction parallel to feed rate

图7 沿平行于进给量方向的显微硬度对比Fig.7 Comparison of microhardness along the direction parallel to feed rate

切削介质主要通过毛细管渗透原理进入切削区域并形成稳定的边界润滑膜实现润滑，其冷却能力Q 可用下式表示［16］:

式中，Δt 为切削区温度tw与流体温度tf的温差，h为切削液传热系数，m 为流体质量.

水冷方式具有最佳的冷却能力，由切削温度引起的热软化效应最小，同时该方式下切削力较大，因此工件表面呈现明显的加工硬化. 但是水冷时在切削温度的作用下发生汽化，阻碍了切削液进一步渗透进切削区域，使得刀具与工件接触区域呈现不同的温度分布，在刀具中心处和副切削刃与工件接触处形成的温度梯度最大，从而造成显微硬度的明显差别，如图7(a)和7(b)所示，在刀具副切削刃与工件接触的显微硬度值在距离表面15 μm 处达到了240 HV，远大于刀具中心与工件接触处的显微硬度.压缩空气的传热系数h 小于水，MQL 散热能力小于水冷，而且具有最小的切削力，因此表面显微硬度小于水冷方式. 同时，MQL 方式下不仅雾化的微米级润滑介质有利于通过毛细管渗透进切削区域形成边界润滑膜，而且压缩空气能完全渗透进入切削区域带走切削热，在刀具中心处和副切削刃与工件接触处形成的温度基本一致，使得刀具副切削刃和刀具中心分别与工件接触处的显微硬度相差不大.

干切时刀/工接触区域温度最高，而纯铁材料具有显著的热软化效应，因此工件表面的显微硬度最小.由于刀具副切削刃与工件接触处的散热能力明显大于刀具中心处，因此刀具中心处的显微硬度值比刀具副切削刃与工件接触区域侧向流动处小，如图7(a)和7(b)所示.同样，菜籽油润滑时产生的切削温度小于干切但大于水冷和MQL 方式，且具有较小的切削力，因此该方式下的显微硬度值明显小于水冷和MQL 方式而大于干切方式.

2.3 表面微观组织

工件取样、镶嵌，沿平行于进给量f 方向和切削速度v 方向研磨两个平面，经抛光、腐蚀后在金相显微镜下拍摄工件的表面微观组织，如图8 所示.

图8 不同冷却润滑条件下的微观组织对比Fig.8 Microstructure comparison among different cooling/lubrication conditions

由图8 可知，4 种冷却润滑方式下已加工表面的晶粒沿切削速度方向被扭曲拉伸，但其扭曲变形程度差异明显.干切时已加工表面晶粒被严重拉长，晶界线因晶粒的扭曲、畸变而变得模糊不清，晶粒变形层深度LD最大.这是因为干切时的切削力和残留在工件表面的切削温度最大，使得表面软化的晶粒在切削力作用下出现严重的塑性变形;水冷时工件表面的淬火效应减小了表层晶粒的变形，其晶粒变形深度LF最小;MQL 和刷菜籽油冷却润滑时，已加工表层均存在晶粒剪切拉伸、扭曲现象，存在明显的剪切流动现象，由于MQL 冷却能力大于菜籽油润滑方式，且切削力相同，导致MQL 时的晶粒变形深度LM小于菜籽油润滑方式的晶粒变形深度LR.

沿进给f 方向的表面金相组织反映了刀具后刀面对已加工表面挤压、摩擦以及纯铁材料的侧向流动情况.由图8 可知，4 种冷却润滑方式下已加工表面均存在明显的因刀具挤压而出现严重的塑性侧向流动，在刀具后刀面与工件表面接触区域也存在明显的晶粒变形，但晶粒的变形程度和深度小于切削速度方向.

2.4 表面残余应力

图9 为4 种冷却润滑方式下工件沿圆周切线方向和轴线进给方向实测的表面残余应力.

图9 已加工表面残余应力Fig.9 Residual stress of machined surface

已加工表面的残余应力状态是由切削过程中切削力引起的刀具后刀面与加工表面的“挤光效应”和刀尖处的“塑性凸出”效应以及切削热引起的热效应综合作用的结果［17］. 受到切削区不均匀热、力耦合强应力场的直接影响，4 种冷却润滑对切向表面残余拉应力大小的影响顺序为:干切、菜籽油润滑、MQL 和水冷，对轴向残余应力的影响顺序为菜籽油润滑、MQL、水冷和干切.对于高塑性纯铁材料的车削加工，切削工艺参数相同时，4 种冷却润滑方式下已加工表面的晶粒沿圆周切线方向和进给方向均具有明显的塑性变形，且沿切向的晶粒扭曲变形更为严重，如图8 所示，呈现出明显的“塑性凸出”效应，而“挤光效应”和残留在工件表面的切削热引起的热效应对工件表面残余应力的影响较小，使得4 种冷却润滑方式下轴向和切向的应力值差别较小，即冷却润滑方式对纯铁材料加工表面残余应力影响不大.如图9 所示，干切、水冷、MQL 和菜籽油润滑时轴向和切向实测残余应力的差值仅为38.1 和29.2 MPa，该差值远小于轴向和切向残余应力值，因此冷却润滑方式对纯铁精加工阶段的表面残余应力影响较小.纯铁材料已加工表面具有显著的“塑性凸出”效应，使得已加工表面沿圆周切线方向和轴线进给方向均呈现残余拉应力，而且切向应力大于轴向应力.

3 结论

文中针对干切、MQL、水冷和菜籽油润滑4 种冷却润滑方式下纯铁材料精加工表面完整性的影响规律进行了分析，主要得出以下结论:

(1)4 种冷却润滑方式下纯铁工件表面粗糙度差异显著，已加工表面发生严重的塑性侧向流动，对表面粗糙度Ra的影响由大到小依次为水冷、干切、菜籽油润滑、MQL，对Rt的影响顺序为水冷、MQL、菜籽油润滑和干切.

(2)纯铁表面呈现显著的加工硬化，4 种冷却润滑方式下表面显微硬度具有相同的变化趋势，表层硬度最大，随后减小至基体硬度，硬化层深度为60 ～70 μm.干切时工件表面显微硬度最小，水冷时最大，MQL 和涂刷菜籽油润滑介于干切和水冷之间.

(3)纯铁已加工表面微观组织呈现明显的扭曲拉伸状塑性变形，4 种冷却润滑方式对沿切削速度方向的表层晶粒塑性变形程度具有显著的影响. 干切时塑性变形层深度最大，其次为菜籽油润滑和MQL，水冷时最小.

(4)纯铁已加工表面具有显著的“塑性凸出”效应，4 种冷却润滑下切向和轴向均呈残余拉应力，且切向应力大于轴向应力，冷却润滑方式对轴向和切向残余应力值影响不大.

(5)切削参数相同时，综合比较4 种冷却润滑方式下的表面粗糙度、表层微观组织和显微硬度以及残余应力等表面完整性特征参数发现，MQL 方式更有利于提高纯铁材料已加工表面质量.

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