純鐵車削刀具磨損對(duì)表面完整性的影響*

孔金星　胡錕　夏志輝　李亮

(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)

?

純鐵車削刀具磨損對(duì)表面完整性的影響*

孔金星1，2胡錕2夏志輝2李亮1?

(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)

摘要:在微量潤(rùn)滑方式下采用非涂層刀具進(jìn)行純鐵材料車削刀具磨損試驗(yàn)，并分別采用新刀具、后刀面平均磨損量為0.12和0.21 mm的已磨損刀具切削純鐵材料，研究刀具磨損對(duì)純鐵零件表面完整性的影響規(guī)律.結(jié)果表明：切削速度對(duì)純鐵精加工刀具壽命影響較大，其磨損形式以刀具后刀面刀尖磨損和溝槽磨損為主；高速時(shí)表面粗糙度隨刀具磨損而快速增加，低速時(shí)則先增加后趨于平穩(wěn)；切削速度為100、300 m/min時(shí)，工件表面切向和軸向殘余應(yīng)力隨刀具磨損呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，顯微硬度則呈先增大后減小的趨勢(shì)；工件表層晶粒扭曲、拉伸狀塑性變形程度增加，表面呈現(xiàn)嚴(yán)重的撕裂和塑性流動(dòng)等缺陷.

關(guān)鍵詞：純鐵；車削；刀具壽命；平均磨損量；表面完整性

表面完整性包括表面微觀幾何形狀與幾何缺陷等幾何學(xué)屬性參數(shù)，以及表層加工硬化、殘余應(yīng)力、晶粒微觀組織變化等物理、力學(xué)性能參數(shù)，是表征、評(píng)價(jià)和控制加工過(guò)程中被加工零件表層材料可能產(chǎn)生的物理、力學(xué)性能變化及其對(duì)最終成品使用性能影響的一個(gè)綜合性指標(biāo)，特別是工作在高速、高壓、重載以及高溫等特殊環(huán)境中的零部件，表面質(zhì)量將嚴(yán)重影響零件使用壽命、可靠性和安全性[1- 3].因此，獲得高質(zhì)量表面完整性的零件具有重要意義.

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的研究表明，刀具幾何參數(shù)和涂層、切削參數(shù)、刀具磨損、冷卻潤(rùn)滑方式等工藝參數(shù)都將影響工件的表面完整性[2- 8].隨著切削過(guò)程的進(jìn)行，刀具后刀面的磨損不斷擴(kuò)大，刀具與工件表面間的接觸面積也隨之增大，使得刀具與工件間的摩擦力和切削溫度發(fā)生顯著的變化，從而對(duì)工件的表面完整性產(chǎn)生重要的影響，刀具磨損是影響工件表面完整性的主要因素[9].楊曉勇等[6]在銑削鈦合金材料時(shí)，認(rèn)為刀具磨損使得表面粗糙度呈現(xiàn)先減小而后增大的趨勢(shì)，表面顯微硬度增加且硬化層深度增加，劇烈的刀具磨損使得加工中的熱塑性效應(yīng)增加，表面殘余拉應(yīng)力增加.Che-Haron[10]的研究結(jié)果表明，刀具磨損對(duì)已加工表面完整性具有顯著的影響，不僅增加了表面粗糙度，而且工件表面存在嚴(yán)重的塑性變形，硬化層深度增加.同樣，Sharman、Kuo等[11- 12]的研究結(jié)果均表明，刀具磨損對(duì)工件表面粗糙度、表面晶粒的塑性變形和硬化層深度具有重要的影響.Liu等[13]研究了軸承鋼硬車削時(shí)刀具磨損對(duì)殘余應(yīng)力的影響，認(rèn)為隨著刀具磨損的增加，工件表面殘余拉應(yīng)力、表層以下的殘余壓應(yīng)力均呈增加趨勢(shì)，表層殘余應(yīng)力的影響深度增加.Sharman等[14]認(rèn)為刀具磨損是影響工件表層殘余應(yīng)力的重要因素.

純鐵材料在國(guó)防、電子、能源等工業(yè)中具有重要應(yīng)用，該零件的尺寸精度和表面質(zhì)量要求極高.然而純鐵在切削過(guò)程中具有切屑變形大、加工硬化嚴(yán)重、刀屑接觸長(zhǎng)以及刀具磨損快等特征[15]，刀具的快速磨損將對(duì)純鐵零件尺寸精度特別是表面完整性產(chǎn)生重要影響.筆者前期研究結(jié)果表明[16- 17]，純鐵材料精加工過(guò)程中采用微量潤(rùn)滑(MQL)方式可以有效減小刀具磨損并提高已加工表面質(zhì)量.因此文中在MQL方式下采用非涂層刀具進(jìn)行純鐵材料車削刀具磨損試驗(yàn)，并探索刀具磨損對(duì)工件表面粗糙度、殘余應(yīng)力、表面顯微硬度、表層金相組織變化以及表面缺陷等表面完整性參數(shù)的影響規(guī)律，進(jìn)而為獲得高質(zhì)量表面完整性的純鐵零件加工提供試驗(yàn)依據(jù).

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料及熱處理狀態(tài)

實(shí)驗(yàn)用純鐵材料為太原鋼鐵公司生產(chǎn)的原始棒料，經(jīng)1 000～1 250 ℃高溫鍛造，在空氣中自然冷卻至室溫，加工成φ110 mm×200 mm試樣用于刀具磨損的切削試驗(yàn)，其中一根試樣加工為圖1所示尺寸和形狀(圖中Ⅰ-Ⅵ為工件臺(tái)階編號(hào))，用于表面完整性的測(cè)試與分析，試驗(yàn)件中間采用3 mm寬度的環(huán)槽進(jìn)行分割，以避免前后兩組工藝參數(shù)間的相互影響.純鐵材料的化學(xué)成分如表1所示.

表1　純鐵材料的化學(xué)成分

圖1　表面完整性切削試樣和取樣圖(單位：mm)

Fig.1Turning geometry and sample used for surface integrity(Unit:mm)

工件加工完畢后，首先在XStress 3 000型應(yīng)力測(cè)試儀上測(cè)量工件的表面殘余應(yīng)力，然后采用線切割的方法，按圖1所示尺寸在工件對(duì)稱位置隨機(jī)取4塊尺寸為18 mm×15 mm×9 mm的試樣，以便于其余表面完整性表征參數(shù)的測(cè)試與分析.

1.2切削參數(shù)

MQL冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)為國(guó)產(chǎn)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，MQL噴嘴到刀具刀尖的距離固定為20 mm.刀片型號(hào)為DCGT11T302 K313鋒利型非涂層硬質(zhì)合金刀具，刀柄為SDJCL2525M11，安裝后刀具主偏角為93°，刀具前角為15°，刃傾角為10°.切削試驗(yàn)在國(guó)產(chǎn)MJ520數(shù)控車床上進(jìn)行，該機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速為3 500 r/min，主軸功率為15 kW.

刀具磨損試驗(yàn)和表面完整性測(cè)試采用精加工階段的工藝參數(shù)，切削參數(shù)選擇為：切削速度v=100，300 m/min，進(jìn)給量f=0.1 mm/r，切削深度ap=0.15 mm.首先采用新刀具在圖1所示編號(hào)為Ⅰ、Ⅱ的臺(tái)階上分別加工，然后當(dāng)?shù)毒吆蟮睹嫫骄p量(VB)達(dá)到0.12和0.21 mm時(shí)，在圖1所示編號(hào)為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ的臺(tái)階上進(jìn)行刀具磨損量對(duì)表面完整性影響的切削試驗(yàn).

1.3刀具磨損和表面完整性的測(cè)量

間隔一定的切削時(shí)間后采用萊卡2500型光學(xué)顯微鏡測(cè)量后刀面磨損量，每次測(cè)量5個(gè)點(diǎn)，取平均值作為后刀面磨損量，并采用手持式粗糙度儀TR210測(cè)量工件表面粗糙度.表面殘余應(yīng)力采用XStress 3000型應(yīng)力儀沿工件圓周切線(主切削方向)和軸向(進(jìn)給方向)兩個(gè)方向測(cè)量，如圖1所示，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)試方法為側(cè)傾法，采用Fe粉校準(zhǔn)，測(cè)試時(shí)使用的靶材為CrKα靶，θ為156.6°，傾角為±45°.由線切割將已加工工件切割成18 mm×15 mm×9 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0.245 N，保持加載時(shí)間為5 s，每組工藝參數(shù)下的試樣測(cè)試3組參數(shù)，然后取均值.采用KYKY-EM3200型掃描電子顯微鏡拍攝不同放大倍數(shù)下的表面形貌，用于考察刀具磨損對(duì)表面形貌和表面缺陷的影響.

2結(jié)果與分析

2.1刀具壽命和刀具磨損形式

圖2所示為切削速度v=100，300 m/min時(shí)非涂層刀具后刀面平均磨損量VB值與切削時(shí)間的變化曲線.

圖2　刀具磨損隨切削時(shí)間的變化曲線

由圖2可知，在相同切削時(shí)間內(nèi)，精加工時(shí)刀具后刀面磨損量隨切削速度的提高而快速增加，刀具壽命隨切削速度的增加而明顯降低.切削速度的增加使得刀具與工件間的摩擦磨損更加劇烈，且切削刃附近的切削溫度比低速時(shí)更高，較高的切削溫度降低了刀具強(qiáng)度，刀具材料與純鐵元素間的擴(kuò)散反應(yīng)和刀具的氧化磨損增加，使得刀具在高速時(shí)具有更大的磨損速率.

圖3所示為切削速度v=300 m/min、VB=0.21 mm時(shí)刀具磨損后拍攝的磨損形貌SEM圖.

圖3　刀具磨損后的形貌

由圖3可知，刀具表面粘結(jié)有純鐵材料，從而形成積屑瘤，刀具后刀面從主、副切削刃處開(kāi)始存在兩個(gè)極為明顯的狹長(zhǎng)型溝槽磨損，中間均勻磨損帶為刀尖磨損.溝槽磨損是加工高溫合金、低碳鋼以及具有強(qiáng)烈加工硬化傾向的材料經(jīng)常出現(xiàn)的刀具磨損形式，也是制約刀具壽命的重要因素[9].通常情況下，主切削刃上的溝槽磨損與切削過(guò)程中的翻邊毛刺相接觸，常用于刀具壽命的評(píng)價(jià)指標(biāo);副切削刃上的溝槽磨損與殘留在已加工表面上的塑性側(cè)向流動(dòng)等缺陷相接觸，對(duì)工件已加工表面質(zhì)量具有重要的影響[9,18].同樣在前刀面上主、副切削刃兩側(cè)存在均較為明顯的溝槽磨損.

2.2刀具磨損對(duì)工件表面完整性的影響

2.2.1刀具磨損對(duì)工件表面粗糙度的影響

圖4所示為MQL冷卻潤(rùn)滑方式下兩種切削速度時(shí)工件表面粗糙度隨切削時(shí)間的變化曲線.

圖4　表面粗糙度隨切削時(shí)間的變化曲線

由圖4可知，刀具磨損對(duì)已加工表面粗糙度具有重要的影響，當(dāng)切削速度v=300 m/min時(shí)，因刀具的快速磨損，工件表面粗糙度Ra迅速增加，表面形貌嚴(yán)重惡化;當(dāng)切削速度v=100 m/min時(shí)，工件表面粗糙度Ra先增加然后處于平穩(wěn)變化階段.

在刀具磨損初期階段，刀具刃口鋒利、表面光滑，與加工表面的實(shí)際接觸面積較小，兩組切削速度下工件表面粗糙度均較小.高速切削時(shí)，由于刀具磨損很快，刀具后刀面與工件間的摩擦劇烈，切削溫度升高，純鐵材料更容易發(fā)生塑性流動(dòng)，導(dǎo)致表面粗糙度迅速增大;低速切削時(shí)，隨著切削過(guò)程的進(jìn)行，刀具磨損增加造成刀-工接觸面積的增大，使得刀具對(duì)工件的擠壓、摩擦劇烈，因此在刀具磨損初期時(shí)表面粗糙度增大.隨后刀具加工狀態(tài)穩(wěn)定，刀具處于正常磨損階段，純鐵工件表面粗糙度則穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)變動(dòng).

2.2.2刀具磨損對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的影響

刀具磨損使得切削刃口鈍圓半徑增加，對(duì)加工表面有更為明顯的擠壓作用，從而對(duì)表面殘余應(yīng)力產(chǎn)生很大影響;同時(shí)磨損后的刀具后角變成零度，使工件與刀具的摩擦加大，導(dǎo)致切削力和切削溫度增加，甚至產(chǎn)生振動(dòng)，勢(shì)必對(duì)零件已加工表面的殘余應(yīng)力產(chǎn)生影響.采用新刀具、后刀面、平均磨損量VB為0.12和0.21 mm的刀具，在MQL冷卻潤(rùn)滑條件下對(duì)純鐵材料進(jìn)行切削，其軸向和切向表面殘余應(yīng)力如圖5所示.

采用新刀具切削加工時(shí)，由于刀具刃口較為鋒

圖5　刀具磨損對(duì)表面殘余應(yīng)力的影響

利，在刀具與純鐵工件接觸點(diǎn)前方產(chǎn)生嚴(yán)重的“塑性凸出”效應(yīng)[19]，工件表面呈現(xiàn)較大的殘余拉應(yīng)力;當(dāng)VB=0.12 mm時(shí)，由于前、后刀面的磨損造成刀具刃口鈍圓半徑增大，“塑性凸出”效應(yīng)減小，同時(shí)后刀面與純鐵工件的接觸面積增加，使得刀具與工件材料間的“擠光”效應(yīng)增加，工件表面產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力[19]，此時(shí)刀具后刀面與工件表面間由摩擦產(chǎn)生的熱效應(yīng)影響較小，因此工件沿軸向和切向的表面殘余拉應(yīng)力減小;當(dāng)后刀面磨損量VB繼續(xù)增大至0.21 mm時(shí)，刀具與工件間的接觸面積增大，造成刀具與工件間的劇烈摩擦，傳導(dǎo)至工件表面的熱量更多，使得工件表面熱效應(yīng)增幅大于“擠光”效應(yīng)，因此表面殘余拉應(yīng)力顯著增加.同時(shí)，由圖5可知，純鐵材料切削時(shí)工件表面沿切向和軸向均呈殘余拉應(yīng)力，且切向殘余拉應(yīng)力大于軸向應(yīng)力.

2.2.3刀具磨損對(duì)工件表層顯微硬度的影響

為避免前后兩個(gè)壓痕的相互影響，壓痕中心距應(yīng)該大于菱形壓痕對(duì)角線寬度的4倍，因此采用三排相互平行且相互錯(cuò)位的壓痕進(jìn)行顯微硬度的測(cè)試.3種不同磨損狀態(tài)的刀具加工后，工件表面沿深度方向的顯微硬度變化曲線如圖6所示.

圖6　刀具磨損對(duì)表面顯微硬度的影響

由圖6可知，在切削速度v=100，300 m/min時(shí)，已加工表層顯微硬度呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，工件表面顯微硬度遠(yuǎn)大于基體材料硬度，即純鐵已加工表面具有明顯的加工硬化效應(yīng).刀具的磨損狀況對(duì)工件表面硬化具有顯著的影響，使用新刀具時(shí)工件表面的硬度最小;當(dāng)VB=0.12 mm時(shí)，工件表面硬度最大;當(dāng)VB=0.21 mm時(shí)，其表面硬度介于新刀具與VB=0.12 mm時(shí)產(chǎn)生的硬度之間.

新刀具加工時(shí)，刃口鋒利且后刀面無(wú)磨損，因此刃口對(duì)已加工表面的擠壓作用較小.當(dāng)后刀面磨損量逐漸增大，而且刃口鈍圓半徑也呈增大趨勢(shì).當(dāng)VB=0.12 mm時(shí)，刀具刃口鈍圓半徑和后刀面磨損帶對(duì)工件表面的擠壓、摩擦作用增強(qiáng)，從而使得工件表面硬化程度增加，由圖6可知，在v=100，300 m/min時(shí)的表面顯微硬度遠(yuǎn)大于采用新刀具加工后的表面硬度，且硬化層深度也大于新刀具加工后的工件硬化深度.當(dāng)VB=0.21 mm時(shí)，刀具與工件間的接觸面積進(jìn)一步增大，刀具對(duì)工件表面擠壓和摩擦作用增強(qiáng)，特別是摩擦熱產(chǎn)生更高的切削溫度在工件表面發(fā)生明顯的軟化效應(yīng)，降低了工件表面的加工硬化程度.同時(shí)其硬化層深度明顯大于新刀具，但與VB=0.12 mm時(shí)相差不大.對(duì)比圖6(a)和6(b)可知，當(dāng)v=100 m/min時(shí)，3種不同磨損程度的刀具加工后的工件表面顯微硬度明顯大于v=300 m/min時(shí)的表面硬度，這與高速切削時(shí)產(chǎn)生更高的切削溫度進(jìn)而在工件表面引起熱軟化效應(yīng)有關(guān).上述試驗(yàn)表明，刀具磨損對(duì)純鐵材料已加工表面的加工硬化程度具有顯著的影響.

2.2.4刀具磨損對(duì)表面形貌和缺陷的影響

切削速度為100 m/min時(shí)3種不同磨損程度的刀具對(duì)工件表面形貌和缺陷的影響如圖7所示.

圖7　刀具磨損對(duì)表面形貌和缺陷的影響

由圖7可知，后刀面磨損狀況對(duì)已加工表面形貌具有重要的影響，其表面缺陷的主要形式有：撕裂、溝槽、碎屑、表面凹坑、塑性和側(cè)向流動(dòng)等.采用新刀具加工時(shí)，刀具與工件間的接觸面積小，在工件表面產(chǎn)生的溫度和加工應(yīng)力較小，表面缺陷主要包括側(cè)向流動(dòng)、溝槽、碎屑以及凹坑等，工件表面較為光滑、平整.當(dāng)后刀面磨損量增大時(shí)，刀具-工件間接觸長(zhǎng)度的增大使得接觸區(qū)域摩擦加劇，導(dǎo)致切削力和切削溫度升高，工件材料的塑性流動(dòng)能力增強(qiáng)，更容易發(fā)生塑性側(cè)向流動(dòng)，尤其是后刀面磨損量達(dá)到0.21 mm時(shí)，刀具-工件間產(chǎn)生劇烈摩擦，在刀具的耕犁和摩擦作用下工件表面呈現(xiàn)顯著的撕裂和塑性流動(dòng)狀缺陷.

2.2.5刀具磨損對(duì)表層金相組織的影響

圖8所示為切削速度為100 m/min時(shí)，3種不同磨損程度的刀具加工純鐵材料后工件表層金相組織的變形情況.

圖8　刀具磨損對(duì)表層金相組織的影響

由圖8可見(jiàn)，使用新刀具加工時(shí)，工件表層晶粒的扭曲、拉伸變形程度很小，晶粒變形區(qū)的深度較小;當(dāng)后刀面磨損量VB=0.12，0.21 mm時(shí)，在刀具的擠壓、摩擦作用下，工件表層晶粒呈現(xiàn)嚴(yán)重的扭曲、拉伸等塑性變形，且變形區(qū)深度增加.隨著后刀面磨損量的增加，加工過(guò)程中刀-工間的接觸面積增大，同時(shí)刀具鈍圓半徑也呈增大趨勢(shì)，后刀面與工件間的摩擦劇烈，使得刀具對(duì)加工表面的擠壓作用更為明顯并產(chǎn)生更高的摩擦熱，切削力和切削溫度同時(shí)增加，表層晶粒的扭曲、拉伸狀塑性變形程度增加，而且晶粒變形區(qū)深度增大.

3結(jié)論

文中采用MQL冷卻潤(rùn)滑方式，研究了切削速度v=100，300 m/min時(shí)純鐵材料車削的刀具壽命和磨損形式、刀具磨損對(duì)工件表面完整性的影響規(guī)律，得出以下主要結(jié)論：

(1)切削速度是影響純鐵材料車削刀具壽命的重要因素，其刀具磨損形式表現(xiàn)為后刀面磨損和主、副切削刃附近的狹長(zhǎng)型溝槽磨損.高速時(shí)表面粗糙度隨刀具磨損的增加而快速增大，低速時(shí)呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)變化的趨勢(shì).

(2)純鐵已加工表面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.隨著后刀面磨損量VB由0增加至0.12、0.21 mm時(shí)，工件表面切向和軸向殘余拉應(yīng)力先減小然后增大.

(3)純鐵已加工表面的顯微硬度遠(yuǎn)大于基體硬度，具有顯著的加工硬化效應(yīng).當(dāng)后刀面磨損量VB由0增加至0.12、0.21 mm時(shí)，工件表面硬化程度先增加然后減小.

(4)后刀面磨損量的增加使得工件表面的金相組織變形區(qū)深度增大，晶粒扭曲、拉伸塑性變形程度增加.

(5)已加工表面有撕裂、溝槽、碎屑、表面凹坑、側(cè)向流動(dòng)等缺陷.新刀具加工時(shí)工件表面較為光滑、平整，刀具磨損量的增加使得工件表面撕裂和塑料流動(dòng)等缺陷更加明顯.

參考文獻(xiàn)：

[1]高玉魁.表面完整性理論與應(yīng)用 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014:1- 40.

[2]JAWAHIR I S,BBINKSMEIER E,SAOUBI R M,et al.Surface integrity in material removal process:recent advances [J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2011，60(2):603- 626.

[3]ULUTAN D,OZEL T.Machining induced surface integrity in titanium and nickel alloys:a review [J].International Journal of Machine Tools & Manufacture,2011,51(3):250- 280.

[4]PAWADE R S,JOSHI S S,BRAHMANKAR P K.Effect of machining parameters and cutting edge geometry on surface integrity of high-speed turned inconel 718 [J].International Journal of Machine Tools & Manufacture,2008,48(1):15- 28.

[5]KLOCKE F,SETTINERI L,LUNG D,et al.High performance cutting of gamma titanium aluminides:influence of lubricoolant strategy on tool wear and surface integrity [J].Wear,2013,302(1/2):1136- 1144.

[6]楊曉勇，任成祖，陳光.鈦合金銑削刀具磨損對(duì)表面完整性影響研究 [J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2012,29(1):22- 26.

YANG Xiao-yong,REN Cheng-zu,CHEN Guang.Effects of tool wear on surface integrity in milling titanium alloy [J].Journal of Machine Design,2012,29(1):22- 26.

[7]PUSAVEC F,HAMDI H,KOPAC J,et al.Surface integrity in cryogenic machining of nickel based alloy-inconel 718 [J].Journal of Materials Processing Technology,2011,211(10):773- 783.

[8]DEVILLEZ A,COZ G L,DOMINIAK S,et al.Dry machining of Inconel 718,workpiece surface integrity [J].Journal of Materials Processing Technology,2011,211(10):1590- 1598.

[9]SHAW M C.Metal Cutting Principles [M].New York:Oxford University Press,2005:265- 477.

[10]CHE-HARON C H.Tool life and surface integrity in turning titanium alloy [J].Journal of Materials Processing Technology,2001,118(1/2/3):231- 237.

[11]SHARMAN A R C,HUGHES J I,RIDGWAY K.Workpiece surface integrity and tool life issues when turning inconel 718TM nickel based surperalloy [J].Machining Science and Technology:An International Journal,2004,8(3):399- 414.

[12]KUO C P,SU S C,CHEN S H.Tool life and surface integrity when milling inconel 718 with coated cemented carbide tools [J].Journal of the Chinese Institute of Engineers,2010,33(6):915- 922.

[13]LIU M,TAKAGI J I,TSUKUDA A.Effect of tool nose radius and tool wear on residual stress distribution in hard turning of bearing steel [J].Journal of Materials Processing Technology,2004,150(3):234- 241.

[14]SHARMAN A R C,HUGHES J I,RIDGWAY K.An analysis of the residual stresses generated in inconel 718TM when turning [J].Journal of Materials Processing Technology,2006,173(3):359- 367.

[15]田文生，樂(lè)兌謙.純鐵的切削性能研究 [J].太原重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，1990,11(2):17- 24.

TIAN Wen-sheng,YUE Dui-qian.A study of pure iron machinability [J].Journal of TaiYuan Heavy Machinery Institute,1990,11(2) :17- 24.

[16]孔金星，鄧飛，趙威,等.冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)純鐵車削表面完整性的影響 [J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015,43(6):89- 95.

KONG Jin-xing,DENG Fei,ZHAO Wei,et al.Effects of cooling/lubrication conditions on surface integrity of pure iron materials during turning [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2015,43(6):89- 95.

[17]孔金星，胡錕，何寧,等.冷卻潤(rùn)滑對(duì)純鐵車削刀具磨損的影響機(jī)理 [J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2015,35(4):378- 385.

KONG Jin-xing,HU Kun,HE Ning,et al.Effect of cooling/lubrication modes on tool wear mechanisms in turning pure iron material [J].Tribology,2015,35(4):378- 385.

[18]BUSHLYA V,ZHOU J M,AVDOVIC P,et al.Wear mechanisms of silicon carbide-whisker-reinforced alumina(Al2O3-SiCw) cutting tools when high-speed machining aged Alloy 718 [J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2013,68(5/6/7/8):1083- 1093.

[19]劉維偉，李曉燕，萬(wàn)旭生,等.GH4169高速車削參數(shù)對(duì)加工表面完整性影響研究 [J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2013，32(8):1093- 1097.

LIU Wei-wei,LI Xiao-yan,WAN Xu-sheng,et al.The effects of turning parameters on machining surface integrity in high speed turning GH4169 [J].Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering,2013，32(8):1093- 1097.

Effects of Tool Wear on Surface Integrity of Pure Iron Material Under Finish Turning

KONGJin-xing1,2HUKun2XIAZhi-hui2LILiang1

(1.College of Aerospace Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,Jiangsu,China 2.Institute of Mechanical Manufacturing Technology,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,Sichuan,China)

Abstract:The finish turning of pure iron material with uncoated carbide tools under minimal-quantity lubrication was performed to investigate the tool wear and its effects on the surface integrity of pure iron material turned respectively by the tool with an average flank wear of 0.12 and 0.21 mm. The results show that (1) the life of the tool used in the finish turning of pure iron material is greatly influenced by the turning speed;(2) the nose wear and the notch wear on the flank surface are two main wear modes of the tool;(3) the surface roughness rapidly increases with the tool wear at a high turning speed but first increases and then changes a little with the tool wear at a low turning speed; (4) both the tangential and the axial residual stresses on the tool surface first decrease and then increase with the increase in the tool wear at the turning speeds of 100 and 300 m/min, while the surface microhardness first increases and then decreases; and(5)with the increase in tool wear,both the distortion and the tensile plastic deformation of grains in the surface layer increase,and serious tearing and plastic flow defects appear on the workpiece surface.

Key words:pure iron;turning;tool life;average wear;surface integrity

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.02.012

中圖分類號(hào)：TH 161

文章編號(hào):1000- 565X(2016)02- 0074- 07

作者簡(jiǎn)介:孔金星(1976-)，男，博士生，高級(jí)工程師，主要從事難加工材料的高速高效加工技術(shù)研究.E-mail：kjxmc106@163.com?通信作者: 李亮(1973-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事難加工材料和弱剛性薄壁件的高效精密加工、綠色切削技術(shù)研究.E-mail：liliang@nuaa.edu.cn

*基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375236);中國(guó)工程物理研究院超精密加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(ZZ13015)

收稿日期:2015- 06- 23

Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51375236)