切削速度對某新型易切削鋼切屑形態及加工表面形貌影響

雷小寶，慶振華，謝峰

(1.安徽大學電氣工程與自動化學院，安徽合肥 230601；2.合肥工業大學機械工程學院，安徽合肥 230009)

0 前言

切屑的形成是切削過程的主要特征，不同的切削過程產生不同的切屑形態。切屑形態由工件材料、切削條件和切削變形程度以及變形溫度等因素共同決定，并且隨著切削條件的改變，碳鋼塑性變形達到一定程度后，其切屑形態將發生轉化，導致鋸齒形切屑出現[1]。切屑的形成過程與加工表面的形態有內在聯系，工件表面粗糙度及微觀形貌對其使用性能有很大的影響，而這又取決于切削加工過程中切削參數的選擇。目前國內外學者針對金屬材料切屑形態及工件已加工表面形貌方面開展了相關的研究并取得了一定的成果，如SU等[2]對高強度合金鋼Aer Met100進行正交切削試驗，得到高速切削過程中不同斷屑階段切屑形態與已加工表面微觀形貌的相關性，結果表明：切屑鋸齒化導致加工表面出現波紋，增加了工件表面粗糙度；不同鋸齒階段的波幅(表面粗糙度)是不同的，影響波幅的主要因素是切屑鋸齒段齒的厚度。XU等[3]研究了高速切削下Ti6Al4V合金鋸齒形切屑的形態特征演變和對已加工表面質量的影響，結果表明：鋸齒形切屑的不均勻塑性變形直接引起切削力的波動，進而產生加工表面的微觀波紋度；明確了切削速度對切屑形態的演變及加工表面質量的影響。RANJAN DAS等[4]研究了硬態車削AISI 4340鋼時，切削參數對切屑形態、工件表面形貌及粗糙度的影響，結果表明：被切材料嚴重的塑性變形引起切屑自由表面的循環裂紋、切屑的鋸齒化，從而導致鋸齒形切屑的形成；切削速度的增加會降低已加工表面的粗糙度，同時也會減少加工表面的進給痕跡、黏附的氧化物、切屑顆粒、表面空洞、材料側流等現象；同時，提高切削速度和減小進給量可以產生更薄的切屑。CUI等[5]通過試驗測試和有限元仿真發現：在高速和超高速銑削AISI H13工具鋼的過程中，隨著切削速度的提高，切屑的鋸齒化越來越明顯，剪切帶內的高溫對切屑內裂紋的產生影響很大；當切削速度增大時，鋸齒的形成頻率隨生長速率的減小而增大，刀-屑接觸長度呈減小趨勢。唐聯耀等[6]研究了鈦合金車削過程中切削速度對切屑形態、已加工表面粗糙度和表面微觀形貌輪廓最大高度的影響規律，發現切屑底部鋸齒毛邊的形成是造成已加工表面波峰損傷形成的主要原因；影響已加工表面粗糙度的微觀形貌特征包括硬質顆粒、黏結現象和波峰損傷。HEIDARI、YAN[7]研究了多孔鈦合金超精密切削的材料去除機制及工件加工后的表面完整性。CAGAN 等[8]研究了干式微量潤滑切削條件下，鋁合金工件加工表面粗糙度及切屑形態。

易切鋼是在鋼中人為定量添加一些諸如S、P、Pb、Ca、Si、Te等易切削元素，其中的易切削元素及其與鋼中其他元素所形成的化合物可起到潤滑、形成刀具保護層、促進斷屑的作用，從而可有效改善鋼材的被切削性。與相應的基礎鋼相比，在切削過程中，材料的斷屑能力得到了顯著提高，排除切屑容易、切削力小、刀具壽命長、加工表面光潔度高[9]。因此，易切削鋼在在航天、軍工、交通、能源等領域得到廣泛應用。隨著制造業技術的升級，機械加工不斷朝著自動化、高精密化的方向發展，易切削鋼的需求量也在不斷增加，近年來已開發出一系列新型產品，所以，對于此類材料的切削特性的研究十分必要。

但是，目前針對易切削鋼切屑形態及已加工表面形貌和粗糙度方面研究較少?；诖?，本文作者通過試驗研究不同切削速度下新型1214Bi易切削鋼的切屑形態及工件已加工表面的三維微觀形貌和表面粗糙度值，并通過切屑及加工表面的顯微觀測、分析，探究切屑形態、已加工表面形貌與表面粗糙度三者之間的關系。

1 試驗條件和方案

1.1 試驗材料

如表1所示，試驗用某新型易切鋼(代號為1214Bi)中加入了P、S和Mn元素，磷固溶于鐵素體，提高硬度和強度并降低韌性，使切屑易于斷裂和切除，表面光潔度好。硫以硫化錳(MnS)的形式分布在鋼中，由于MnS夾雜物作為應力集中源割斷了基體的連續性而使切屑易斷，又由于MnS的潤滑作用而降低了刀具的磨損，從而改善了鋼材的切削加工性能[10]。

表1 切削試驗中1214Bi易切削鋼成品主要成分

圖1所示為1214Bi易切鋼的金相形貌，可知：組織方面，以鐵素體+珠光體為主，呈橢球狀、紡錘狀或小長條狀彌散分布的細碎灰色雜物為MnS及其他夾雜物。Bi在鋼中多呈直徑幾微米的金屬顆粒，由于其減磨以及減輕黏著等作用可有效改善鋼的可切削性。關于材料的力學性能，據提供的數據表明：室溫沖擊性能δKU2=73 J，抗拉強度Rm=420 MPa，屈服強度σRel=275 MPa，斷后伸長率A=32%，斷面收縮率Z=50%；Te元素的加入對力學性能沒有顯著影響。

圖1 1214Bi易切削鋼金相

1.2 試驗設備

圖2所示為切削試驗過程示意其中主要用到的設備/工具見表2。刀具幾何參數見表3。

圖2 試驗過程示意

表2 試驗設備/工具

表3 試驗刀具幾何參數角度

1.3 試驗方案

實行單因素試驗方法，保持刀具幾何參數、進給量(0.10 mm/r)和背吃刀量(0.5 mm)不變，改變切削速度，觀察切削過程中切屑形態的變化和工件已加工表面情況等，通過試驗研究該材料在不同切削速度條件下切屑形態、工件加工表面三維形貌、粗糙度的關系。為保證試驗數據的可靠性，每次試驗選用一把新刀，工件每車削一層材料后，重新調整主軸轉速，以確保當次試驗中所需的切削速度。

2 試驗結果與分析

2.1 切屑形態分析

2.1.1 切屑形態

試驗所得的切屑通過體式顯微鏡、掃描電子顯微鏡、金相顯微鏡觀察切屑的微觀狀態及切屑的變形程度。

由圖3可知：在切削速度大于150 m/min時1214Bi易切削鋼的切屑以短管螺旋狀為主；當切削速度小于150 m/min時，則切屑以發條狀和破斷弧形為主要形式。

圖3 不同切削速度下形成的切屑形態(SEM)

2.1.2 切屑自由表面及鋸齒狀切屑形成

不同切削速度下，切屑自由表面的形貌如圖4所示。

圖4 不同切削速度下切屑自由表面形態(SEM)

由圖4可知：在切削速度為50、100、150 m/min 時，切屑自由表面較多呈現的只是無規則褶皺；當切削速度達到200 m/min 時，切屑自由面的褶皺呈現較為明顯的規律性。因此1214Bi易切削鋼形成鋸齒形切屑的臨界切削速度大約在200 m/min。

為了更好地研究切屑鋸齒化現象及切屑形成過程中材料的變化，將試驗獲得的切屑做金相分析，考慮到車削過程中切屑靠近刀尖處的部分切削溫度大，更能反映切屑形成過程、特征，因此文中主要分析這部分切屑的形貌。

觀察圖5所示金相顯微鏡形貌可知：在切削速度為50 m/min和100 m/min時，切屑自由表面只有一些褶皺，沒有形成明顯鋸齒狀；在切削速度為200 m/min 時，切屑鋸齒狀已較為明顯。隨著切削速度的增加，切屑的鋸齒化程度愈發明顯。同時，隨著切削速度的變大，切削第二變形區溫度升高導致該部分工件材料熱軟化，從而加劇塑性流動，宏觀上即表現為切屑上毛邊現象變得愈發嚴重。此外，由切屑金相圖可知：不同切削速度下，剪切力作用使得切屑材料內部晶粒發生塑性流動、被拉長的程度是不同的，高速切削下原本不規則多邊形的金屬晶粒被沿同一方向拉伸成平行排布的線條狀。

圖5 不同切削速度下切屑金相形貌

2.1.3 切屑底面

切削后所形成的切屑底面形貌見圖6。

圖6 不同切削速度下切屑底面

在各切削速度下，切屑底面都出現了一系列平行條紋，此條紋應該是刀具造成的，即刀具的切削刃或前刀面上潛在的硬質點在切削過程中刻畫在切屑底面上。在切削速度為50 m/min和100 m/min 時，切屑底面形成較多大小不一的撕裂狀凹坑、溝槽，并偶見零星碎屑粘附其間。產生這些現象的原因是切削速度較低時，切削區溫度較高，切屑底面材料軟化粘結于刀具上，隨著刀-屑分離而被撕扯下來。當切削速度增至150、200 m/min 時，這種現象逐漸減小直至消失。表明高速切削有利于散熱，切削區溫度較低，工件材料軟化黏結現象逐漸減弱，因此高速切削能夠形成表面較光滑的切屑底面。但碎屑的數量、大小和分布隨切削速度的變化無明顯規律。

2.2 工件已加工表面形貌及粗糙度分析

由圖7所示試驗結果可知：不同切削速度下，1214Bi易切鋼材料已加工表面均出現明顯的波峰和波谷，這些波峰和波谷在切削速度變化范圍內也呈現規律性的變化。

圖7 不同切削速度下已加工表面三維形貌

在切削速度為v=50、100 m/min時，波峰的高度變低，波谷的深度也變淺，且間距隨機性變小，即隨著v的增加，表面粗糙度Ra值隨之減小。經測量，當v=50 m/min時表面粗糙度值Ra=2.944 μm，當v=100 m/min時表面粗糙度值Ra=2.717 μm；當v=150 m/min 時，已加工表面的3D形貌顯示波峰、波谷趨于平緩，表面粗糙度Ra值大幅減小，此時測量粗糙度值Ra=2.057 μm；但當v=200 m/min 時，表面粗糙度值Ra=2.040 μm，與v=150 m/min 時的差別不大，由表面3D形貌也可看出。切削速度變化導致工件已加工表面形貌和粗糙度變化的原因主要是在某一切削速度范圍內，切削區域溫度較高，切屑材料軟化粘附在刀具切削刃或前刀面上形成積屑瘤，因此實際參與切削工作的不是刀刃而是積屑瘤，積屑瘤形狀是不規則的(在切削過程中也會變化、脫落)，所以這一區域工件已加工表面質量惡化；但隨著切削速度的提高，積屑瘤消融，切削表面質量改善。

3 結論

通過切削試驗，得到了不同切削速度下1214Bi易切鋼切屑形態及已加工表面的微觀形貌及粗糙度值，分析了導致不同切屑形態及工件已加工表面形貌的原因，得到以下結論：

(1)宏觀上，在切削速度大于150 m/min時，1214Bi易切削鋼的切屑以短管螺旋狀為主，當切削速度小于150 m/min時切屑以發條狀和破斷弧形為主；

(2)1214Bi易切削鋼形成鋸齒形切屑的臨界切削速度大約在200 m/min，此時切屑自由面的褶皺才呈現較為明顯的規律性。切屑的金相形貌顯示：切削速度影響切屑材料內部晶粒的塑性流動及拉長程度，高速切削下金屬晶粒被沿同一方向拉伸成平行排布的線條狀。

(3)切削速度影響切屑底面形貌，低速切削區溫度較高，切屑底面材料軟化粘結在刀具上，隨著刀-屑分離，材料被從切屑上撕扯下來，形成切屑底面較多大小不一撕裂狀凹坑、溝槽，當切削速度增大至200 m/min 時，能夠形成表面較光滑的切屑底面；

(4)低速切削1214Bi易切削鋼時，工件表面粗糙度Ra值較大，表面3D形貌中的波峰高度、波谷深度也均較大；隨著切削速度v的增加，表面粗糙度Ra值減小，已加工表面的3D形貌顯示波峰、波谷趨于平緩，但當v增大至一定程度后，Ra值和3D形貌變化均不明顯。