微量潤滑對超精密加工固溶和時效馬氏體鋼的加工性能影響研究*

鄭中鵬 金鑫 郭嘯天 高瑞麟 李朝將

（①北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；②新加坡國立大學機械系，新加坡 119077）

馬氏體時效鋼依靠超低碳鎳馬氏體基體上析出金屬間化合物沉淀相進行強化[1]，具有出色的機械性能、高屈服強度、斷裂韌性以及良好的淬透性[2]，并被廣泛用于航空航天、船舶和車輛制造等工程領域中[3?4]。例如，動調陀螺儀撓性接頭[5]、發動機軸[6]、火箭發動機殼體[7]、起落架[8]和船體[9]等。通常情況下，馬氏體時效鋼在固溶狀態下進行機械加工[10]，加工后樣件進行時效熱處理。但是，即使固溶熱處理狀態下，馬氏體時效鋼仍然是一種非常堅韌的材料，其強度超過1 079 MPa[11]。如此高的材料硬度和強度使馬氏體時效鋼成為典型難切削材料[12]，切削過程中產生高切削溫度、高切削力、較差的加工表面質量和快速的刀具磨損。

為了提高難加工材料的表面加工質量，降低工件表面損傷和加工過程中的切削力，諸多學者提出了多種輔助加工方法，以提高難加工材料的可加工性。倪陳兵等人開展了超聲輔助加工鈦合金的切削力信號與切屑性能研究，結果表明，施加超聲振動之后，超聲銑削力信號幅值顯著下降，降低了切削力，改善了工件加工的表面質量[13]。Varghese V等人采用低溫冷卻技術來降低切削馬氏體時效鋼MDN 250在高切削速度時的切削力，改善加工表面質量，并延長了刀具壽命[2]。Zheng Z等人將表面活性劑涂在未切削工件表面，降低工件表層斷裂所需要的能量，極大的改善了馬氏體時效鋼的可加工性能[14]。Germain G等人對Inconel 718的激光輔助加工（LAM）進行了加工研究，并發現切削力顯著降低了約40%，詳細研究了激光輔助切削加工對表面粗糙度、表面形貌、殘余應力和刀具壽命的影響[15]。上述輔助切削加工方法具有各自的獨特優勢，目前還缺少微量潤滑超精加工馬氏體時效鋼3J33C固溶、時效熱處理狀態下的影響研究。

因此，為了進一步改善難切削材料馬氏體時效鋼的可加工性能，降低切削過程中的刀具磨損和切削熱量，采用微量潤滑（minimal quantity lubrcation簡稱MQL）技術，將壓縮氣體與微潤滑液混合汽化后，噴射到加工區，對刀具和工件之間的加工部位進行潤滑。此外，微量潤滑也是一種綠色加工技術，切削液使用量極少、無污染和節省開支等優點，可以大大減小刀具–工件和刀具–切屑之間的摩擦，起到抑制加工過程中的溫度，降低了刀具磨損。

1 微量潤滑對超精密加工3J33C的切削性能影響研究

1.1 微量潤滑實驗加工方案

圖1是微量潤滑試驗加工裝置圖，該試驗在新加坡國立大學的ULG-100超精密金剛石車床上進行。試驗過程中采用5051A型放大器的Kistler 9256C1測力儀記錄切削力，實驗采用刀尖圓弧半徑是0.8 mm，刃口鈍圓半徑為6 μm的CBN刀具。工件材料為固溶、時效熱處理的馬氏體時效鋼3J33C，工件尺寸為?20 mm×6 mm。試驗加工樣件前，對工件表面進行修整，使得工件表面平整，詳細的切削參數與微量潤滑參數如表1所示。切削后使用JEOL JSM-5500掃描電子顯微鏡（SEM）觀察切屑形態和已加工表面，Olympus LEXT OLS5000 3D激光共聚焦顯微鏡評估了加工后的表面質量。

圖1 基于MQL輔助超精密微切削馬氏體時效鋼3J33C

表1 微量潤滑正交切削實驗的加工參數表

1.2 微量潤滑對切削力影響分析

圖2和圖3分別是不同切削參數下超精密微切削加工3J33C的實時采樣切削力譜曲線圖。從圖中可以發現，無論是固溶熱處理3J33C還是時效熱處理3J33C，在微量潤滑MQL的作用下，切削力均有不同程度降低，切削力降低幅度大約在10%～25%。此外，還可以發現，相同切削參數下，時效熱處理3J33C的切削力整體比固溶熱處理3J33C高，主要歸因于時效熱處理后3J33C的材料強度、硬度大大提高，去除相同體積的材料所需要的能量增加。值得注意的是，切削力實時采樣曲線中時效熱處理3J33C的切削力實時曲線更加平緩，主要歸因于固溶熱處理3J33C相對于時效熱處理3J33C材料較軟，切削過程中切屑更容易堆積，從而造成切削力波動過大。

圖2 MQL對微切削加工3J33C的切削力影響情況（切削速度40 mm/min，切削深度4 μm）

圖3 MQL對微切削加工3J33C的切削力影響情況（切削速度90 mm/min，切削深度4 μm）

圖4和圖5是超精密微切削加工固溶熱處理3J33C、時效熱處理3J33C中的切削速度、切削深度與切削力之間的關系，并對比微量潤滑作用下的影響規律。整體觀察可以發現，采用微量潤滑輔助切削加工后，平均切削力整體下降，切削力降低的主要原因是降低了“刀具–工件”之間和“刀具–切屑”之間的摩擦力，從而整體降低平均切削力。此外，從圖中可以得到切削力與切削參數之間的規律，即切削力隨著切削深度的增加而增加，但是切削速度對微切削加工3J33C影響不大。

圖4 微量潤滑對微切削固溶熱處理3J33C的切削力影響情況

圖5 微量潤滑對微切削時效熱處理3J33C的切削力影響情況

1.3 微量潤滑對加工質表面量影響分析

圖6是超精密微切削加工固溶熱處理3J33C的表面粗糙度，從圖中可以發現，隨著金屬切削深度的增加，表面粗糙度先增加后趨于平穩；隨著切削速度增加，表面粗糙度變化不大。此外，還發現在使用了微量潤滑技術后,不管是切削深度還是切削速度，其超精密微切削加工表面質量均有所提高。主要原因是降低了“刀具–工件”之間和“刀具–切屑”之間的摩擦力。

圖6 固溶熱處理3J33C的加工表面粗糙度

圖7是超精密微切削加工時效熱處理3J33C的表面粗糙度，本文也發現了采用MQL后，表面粗糙度有所降低，加工質量得到改善。但需要注意的是，所加工的固溶熱處理3J33C的表面粗糙度仍整體高于時效熱處理3J33C。

圖7 時效熱處理3J33C的加工表面粗糙度

圖8、圖9是超精密微切削加工固溶熱處理狀態3J33C的表面質量和時效狀態3J33C表面質量形貌。可以明顯發現，未使用微量潤滑其加工表面質量存在明顯的缺陷，切削加工表面邊界存在毛刺現象。

圖8 固溶熱處理3J33C的表面質量圖

圖9 時效熱處理3J33C的表面質量

為了進一步解釋和驗證微量潤滑技術明顯改善加工表面質量，對固溶熱處理和時效熱處理的馬氏體鋼進行鏡面加工，并使用新加坡國立大學Logo進行鏡面圖像對比，使用粗糙度儀測量鏡面加工表面輪廓與粗糙度。圖10展示了超精密鏡面加工固溶熱處理3J33C的表面質量對比圖，其未使用MQL的加工固溶熱處理3J33C的表面粗糙度Ra為38 nm，使用MQL的加工固溶熱處理3J33C的表面粗糙度Ra為28.4 nm，采用微量潤滑后表面粗糙度Ra降低了25.3%。圖11展示了超精密鏡面加工時效熱處理3J33C的表面質量對比圖，采用微量潤滑后其表面加工粗糙度Ra從36.3 nm降低為26.7 nm，降低了26.45%。

圖10 超精密鏡面加工固溶熱處理3J33C的表面質量，切削深度2 μm，轉速600 r/min，進給量1.5 mm/min

圖11 超精密鏡面加工時效熱處理3J33C的表面質量，切削深度2 μm，轉速600 r/min，進給量1.5 mm/min

2 結語

（1）無論是固溶熱處理3J33C還是時效熱處理3J33C，在微量潤滑MQL的作用下，切削力均有不同程度降低，切削力降低幅度大約在10%～25%。

（2）微量潤滑MQL可以有效改善加工質量，降低了“刀具–工件”、“刀具–切屑”之間的摩擦力，有效改善加工后的表面粗糙度。

（3）微量潤滑MQL可以降低加工表面缺陷，減少毛刺的發生。