由于对近年来正在成为主流的超硬合金刀具的研究很少，因此本文研究了刀具钢种和被切削钢材质因素对被切削钢切削后表面粗度的影响。研究结果表明，刀具钢种的热传导率不同、切削温度不同以及积屑瘤生成状态不同都可能对切削面粗度产生影响。在被切削钢材质因素方面，硫化物尺寸增大、长宽比减小（纺锤型化）以及钢的屈强比增大（铁素体微细化）等可有效减小切削面粗度。

低碳硫易切削钢（无铅）和低碳硫复合易切削钢（含铅）多用于制作办公机械等设备的精密部件。技术条件要求切削后的部件表面具有良好的粗度。近年来，地球环境问题对易切削钢无铅化的要求越来越高。因此，提高低碳硫易切削钢（无铅）的切削性成为一个重要的问题。表1归纳了影响切削后表面粗度的因素。此前，已经发表了许多关于影响低碳硫易切削钢切削后表面粗度的研究报告。但这些报告基本上是使用高速钢刀具的研究结果。但目前超硬合金刀具正在成为主流刀具，因此本文研究了刀具材质对部件车削后表面粗度的影响以及部件材料因素对部件车削后表面粗度的影响。

1 刀具材质对部件车削后表面粗度的影响

1.1 试验方法

表2是试验钢的化学成分。将实机冶炼的JIS标准的低碳硫易切削钢SUM23，热轧成直径110mm的圆钢，测定距圆钢表面2mm深度处的维氏硬度。对试验钢试样进行镜面研磨后，用3%硝酸酒精腐蚀，用光学显微镜观察钢的微观组织。在表3所示的条件下，对圆钢进行车削，然后用触针式粗度计测定车削后十点的表面粗度，并计算粗度平均值（Rz）。刀具材料是超硬质合金K10、超硬质合金P20、金属陶瓷（TiN）、陶瓷（Al₂O₃）。每个车削试验都使用新刀具，从而排除了刀具磨损对试样切削后表面粗度的影响。用显微镜观察切削后的刀具，然后用扫描电镜观察刀具的前倾面，并用EDX对前倾面成分进行分析。

本试验中用S10C做对比钢，S10C的使用寿命不及SUM23，但轧制状态的硬度与SUM23同等。

1.2 试验结果

试验钢热轧材的组织显示，SUM23、S10C的组织都是铁素体中分散有珠光体。但SUM23中有平行于轧制方向的珠光体带。其原因是，与S10C相比，SUM23的Mn、P、S量较多，微观偏析对组织的影响较大。

关于夹杂物。SUM23中多数的硫化物粗大并且成纺锤状，而S10C中基本上没有粗大硫化物。此外，SUM23、S10C的硬度相同、都约为110HV。

图1是车削速度70m/min车削后试样的表面粗度。金属陶瓷刀具和陶瓷刀具车削后试样的表面粗度明显大于超硬质合金刀具车削后试样的表面粗度。但如图2所示，车削速度100m/min车削后试样的表面粗度，受刀具材质的影响变小，在车削速度为200m/min时，车削后试样的表面粗度，受刀具材质的影响更小（图3）。

车削后，试样表面粗度受刀具材质影响显著的车削速度（70m/min）车削后的超硬质合金K10刀具和陶瓷刀具的外观显示，车削SUM23、S10C的K10刀具的前倾面上都产生积屑瘤。而陶瓷刀具仅在车削SUM23时，在前倾面上产生积屑瘤。用陶瓷刀具进行车削快速停削试验时，在刀具刀尖上切屑的生成情况是，在车削SUM23时，陶瓷刀具产生积屑瘤，而在车削S10C时，陶瓷刀具没有产生积屑瘤。由此可推断，用陶瓷刀具以70m/min的速度车削SUM23时，陶瓷刀具上发生高频度的积屑瘤生成和脱落，从而使车削件表面粗度增大。

1.3 试验结果的分析

刀具材质对积屑瘤形成行为产生影响，从而对SUM23、S10C车削面的粗度产生影响。一般来说，积屑瘤的生成与车削温度有密切关系。这种关系对车削面粗度的影响如图4。在车削温度小于400℃时，没有生成积屑瘤（第Ⅰ阶段）。在车削温度大于400℃小于被切削材再结晶温度时（第Ⅱ阶段），随着车削温度的升高，积屑瘤生成并长大。但在车削温度大于被车削材再结晶温度的高温区（第Ⅲ阶段），车削温度越高、积屑瘤越软化和减少。车削温度达到更高温度区

域（第Ⅳ阶段）时，积屑瘤消失。积屑瘤的上述生成、消失行为引起的被车削材车削面粗度的变化是，车削面粗度在第Ⅱ阶段随车削温度升高而增大、在第Ⅲ阶段随车削温度升高而减小。在第Ⅰ阶段和第Ⅳ阶段，由于没有积屑瘤，车削面粗度很小，车削温度对车削面粗度的影响也很小。

超硬质合金刀具和陶瓷刀具车削后的车削面粗度与车削速度的关系如图5、图6。车削温度与车削速度有正相关关系。如图5所示，超硬质合金刀具车削SUM23、S10C时，SUM23、S10C的表面粗度都随车削速度的增加而减小。因此，可认为SUM23、S10C的车削温度相当于上述的第Ⅲ阶段温度。如图6所示，陶瓷刀具车削SUM23时，SUM23的表面粗度随车削速度的增加而减小。但陶瓷刀具车削S10C时，从低车削速度开始， S10C的表面粗度就很小，并且随车削速度的增加，表面粗度的减小量也很小。因此可以认为，陶瓷刀具车削SUM23时，车削温度处于第Ⅲ阶段温度区间，车削S10C时，车削温度处于温度更高的第Ⅳ阶段温度区间。

表4是影响车削温度的各种因素。图7是被车削材和各种刀具材料的导热率。S10C的导热率小于SUM23。在刀具材料方面，陶瓷的导热率最小。由此可知，S10C比SUM23更能蓄热、陶瓷比超硬合金更能蓄热。图8是刀具材料对S10C、SUM23的车削抗力的影响（车削速度70m/ min）。虽然S10C、SUM23的硬度相同，但各种材料刀具车削时，S10C的车削抗力都约为SUM23的2倍。原因是，车削时S10C的发热大于SUM23。因此，容易蓄热的陶瓷刀具车削S10C时，在低车削速度（70m/min）下，也处于第Ⅳ阶段的高温车削状态。

SUM23车削抗力低的主要原因是，钢中硫化物促进微裂纹的发生和扩展。研究表明，车削SUM23后的刀具前倾面上形成了硫化物（MnS）的皮膜。因此，硫化物不仅有促进微裂纹的发生和扩展的作用，而且在刀具和被车削物之间形成皮膜提高了润滑效果，使SUM23的车削抗力大幅度下降。

2 钢的硫化物形态和钢的屈强比对车削面粗度的影响

2.1 试验方法

试 验 钢 是SUM23（0.08 C-1.2 Mn-0.06 P-0.35S）。用真空熔炼炉熔炼150kg的试验钢钢锭。将钢锭

开坯轧制成100mm厚的钢坯。为了获得不同形态的硫化物和钢的不同屈强比（不同的铁素体晶粒直径），将钢坯在不同温度下加热后，轧制成30mm厚的钢板（累计压下率70%）和10mm厚的钢板（累计压下率90%）。从钢板上裁取出直径9.5mm的圆钢棒。对距钢棒表面1mm深度处的硫化物进行观察。然后用图像解析法测定硫化物的尺寸并计算硫化物的长宽比。按照表5所示的条件，对直径9.5mm的圆钢棒进行车削，用触针式粗度计测定车削后圆棒的表面粗度Rz。从直径9.5mm的圆钢棒裁取JIS4号试样，进行拉伸试验，求出钢的屈强比。

2.2 试验结果

图9是SUM23热轧材的硫化物，图10是SUM23硫化物尺寸、长宽比与热轧加热温度的关系。硫化物的尺寸是一个定值，不随加热温度和累计压下率的变化而变化。但硫化物的长宽比变化与尺寸有所不同，热轧累计压下率为70%时，长宽比不随加热温度的变化而变化，是一个定值，但热轧累计压下率为90%时，低温（1000℃）加热的轧材长宽比显著增大、硫化物伸长。图11是SUM23的屈强比与热轧加热温度的关系。累计压下率增加和加热温度降低，使屈强比升高。

图12（a）、（b）分别是干式车削和湿式车削SUM23的表面粗度。干式车削的SUM23表面粗度与热轧加热温度关系的变化具有多样性，原因是多种因素影响车削温度，使积屑瘤的生成状况也有多种变化。与干式车削相比，湿式车削SUM23的表面粗度总体是下降的。原因是，由于润滑剂的冷却作用，使车削温度显著下降到第Ⅰ阶段温度区域。

2.3 硫化物形态和屈强比对车削面粗度的影响

为了解硫化物形态和屈强比对车削面粗度的影响，对硫化物长宽比、硫化物尺寸、屈强比与车削面粗度的关系进行多元回归分析，分析结果如表6。表中还有表示因子对车削面粗度影响度的指标│t│值。各影响因子│t│值的大小顺序是，硫化物尺寸＞硫化物长宽比＞屈强比。增大硫化物尺寸、减小硫化物长宽比（纺锤形化）和增大屈强比（铁素体微细化）是降低车削面粗度的有效方法。

3 结语

本研究查明了刀具材质、被车削钢材质因子对低碳硫易切削钢车削面粗度的影响。影响车削面粗度的因子很多，因此在对这些因子单独影响研究的基础上，有必要进行这些因子复合作用影响的研究。此外，在材料的切削性方面，除了表面粗度，刀具寿命和切屑处理性也是不可忽视的特性。因此为提高低碳硫易切削钢的切削性，需要深化对切削现象本质的认识。而切削温度和切屑的动态观测是未来重点研究的领域之一。 　　（高宏适）