高温镍基合金GH4169(美国牌号Inconel 718)有着高硬度、强抗氧化性及良好的高温力学稳定性等显著特征，因此被广泛应用于航空发动机涡轮盘、叶片、轴、隔环等关键高温部件^[1]。但是，低热导率、高强度和较大的粘性使其在加工过程中易产生较高的加工温度和较大的切削力，引起加工硬化和材料表面缺陷，最终显著降低产品的使用寿命。由于国外对于该类材料关键部件的工艺参数采取保密措施，使得国内制造业对于这方面的数据仍然相当匮乏，因此，有关GH4169的加工工艺参数的研究仍亟待进一步充实完善。

表面完整性是指零件由加工所形成的表面特征和表层特性^[2],主要包括加工后引入的残余应力、表面粗糙度、加工硬化等。表面完整性对工件及材料的使用寿命产生着重要的影响^[3,4,5]。在承受交变载荷作用时，增大材料的表面粗糙度，易在加工表面波谷处造成应力集中，诱发疲劳裂纹产生，造成工件的断裂失效。表面残余压应力能延缓疲劳裂纹的扩展，而残余拉应力会起到相反的作用。同时，如果材料受到严重的加工硬化，材料的疲劳性能也会降低。综上所述，针对材料表面完整性方面的研究具有重要的意义和价值。

目前国内外学者对GH4169的切削加工进行了多方面的研究，Sharman^[6]等研究了切削速度对残余应力的影响，发现随着切削速度的增加材料表面残余应力在减小。Pawade^[7]等通过实验发现，随着车削速度的提高，加工硬化层深度在随之减小，表层残余应力呈现先增大后减小的趋势。Outeiro^[8]等研究表明，未涂层刀具容易在表面产生较大的残余拉应力。刘维伟^[9,10]等实验发现经过涂层硬质合金刀具加工后的材料，表面粗糙度随着切削速度的增加而减小，随着进给和切削深度的增加而增大，且表面粗糙度对进给量的变化最为敏感，减小进给量降低车削速度可明显减小车削加工的残余应力。然而，以往大部分的研究都只是对表面完整性中的个别表面特性进行研究，且有些研究结果存在差异。文中选用陶瓷刀片，通过改变车削加工速度，对表面完整性中的表面粗糙度、表层微观结构、表层显微硬度、残余应力进行全面的研究，分析了车削速度对表面完整性的影响规律，以期为GH4169车削加工参数优化及表面完整性控制研究提供相关的试验数据基础。 1 材料及方法 1.1 材料

工件材料为GH4169，其化学成分如表 1所示。圆棒试样4个，尺寸为Φ 20 mm×55 mm。材料加工前进行热处理：1 050 ℃保温1 h的固溶处理，随之空冷，之后在720 ℃下保温8 h炉冷至620 ℃保温8 h后再空冷。

采用单因素试验方法，选用陶瓷刀片对GH4169高温合金进行外圆车削，试验机床为CK6140H型数控机床，最大主轴转速3 000 r/min，不选用冷却液。试验加工参数如表 2所示，进给量f、切深a_p均保持不变，车削速度在25~125 m/min范围内进行变化。车削加工示意图如图 1所示，主轴旋转速度为车削速度v，刀具前进方向为进给方向，切削长度为30 mm，每组试验完成后都更换新的刀片进行下一组试验，以便排除刀具磨损这一影响因素。

图 1 车削加工示意图Fig. 1 Schematic diagram of the turning

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将加工后的试样利用线切割取出长为10 mm的一段圆棒，经过超声清洗后先采用IFMG4g Electronics三维形貌仪(Alicona公司)沿进给方向进行表面粗糙度测量。再对剩余部分通过线切割方式沿进给方向取出一小块试样，如图 2所示。通过树脂冷镶，打磨、抛光、腐蚀之后利用光学显微镜和扫描电子显微镜对加工截面上的微观结构进行观察，并在HXD-1000TMC/LCD显微硬度仪上沿深度方向(如图 2)进行显微硬度的测量，测量过程使用0.98 N的试验力，保载时间为15 s，表征方式为维氏硬度。最后，对取出的10 mm圆棒试样沿轴向进行残余应力的测量，测量过程中使用Proto XRD残余应力测试仪，采用sin²ψ方法。选用的靶材为Mn Kα，布拉格角2θ为151.88°，所选晶面为 (311)晶面。采用电解抛光法对试样进行腐蚀，在不引发附加残余应力的条件下，缓慢减小试样直径，沿深度方向逐层测定残余应力的大小，并得出残余应力沿该方向的分布规律。

图 2 切割试样的示意图Fig. 2 Schematic diagram of the cutting samples

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图 3为表面粗糙度随车削速度的变化规律。由图可知，随着车削速度的增加，表面粗糙度呈现明显的下降趋势，当车削速度达到125 m/min时，表面粗糙度达到最小为1.059 μm。表面粗糙度很大程度上与切屑的形成过程有关，随着切屑的形成，刀具前端切削压力增大，上下层金属相对移动，容易在刀具前端产生积屑瘤，从而增大了表面粗糙度。但随着切削速度的增加，切削区温度升高，积屑瘤发生软化并且具有很大的塑性，同时切屑底层也发生软化，切屑与前刀面摩擦因数减小，导致切削力降低，切削过程平稳，以上两方面因素都使得表面粗糙度有所降低。Nalbant^[11]、Sadat^[12]等人通过研究证明了随着车削速度的增加，切削力随之减小。曹成铭等^[13]在研究高速切削Inconel 718时也发现随着速度的增加表面粗糙度在减小。

图 3 不同车削速度下的表面粗糙度Fig. 3 Surface roughness at different cutting speeds

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图 4为光学显微镜和扫描电子显微镜下观察得到的车削加工表面显微组织。在较低速度(v=50 m/min)下，表面微观组织未发生较大变化，也没有产生明显的滑移线。从图 4(c)及其放大区域图 4(d)可以看出，当v=75 m/min时，加工表层已出现明显的滑移线。当v=125 m/min(图 4(b))时，表面也存在这种现象，而且表面晶粒存在明显的拉长。但速度由75 m/min增大至125 m/min的过程中，塑性变形层的深度并没有明显变化。本质上，切削过程是工件材料在切削力的作用下产生从弹性变形到塑性变形(滑移、孪生、晶界滑动、扩散性蠕变)直至断裂(切屑与工件分离)的过程^[14]。在加工过程中刀具与工件之间的接触会在材料表面产生塑性流动^[6]。加工过程中切削力随着速度的提高不断减小，所以速度增大表面塑性变形层并没有增加；但是又由于热效应的影响，当切削速度较高时产生的热量较多，对材料表面起到了一定的“软化”作用，所以速度相对较高时加工表面会出现晶粒拉长的现象。

图 4 不同车削速度下的表层微观组织Fig. 4 Microstructure on the surface at different cutting speeds

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图 5为不同车削速度下材料显微硬度沿深度方向的变化规律。可以看出，所有试样在加工表层和次表层存在明显的加工硬化现象，且表面硬度最大，沿深度方向硬度不断减小，约150 μm处显微硬度趋于一个稳定的波动范围，当v=50 m/min时，表层显微硬度达484 HV_0.1，随着车削速度的增加表层显微硬度呈现增大的趋势，当v=75 m/min和125 m/min时，表层显微硬度值相近。

图 5 不同车削速度下沿深度方向的显微硬度Fig. 5 Microhardness with depth at different cutting speeds

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加工硬化现象与表层、次表层的塑性变形程度有着紧密的联系，当速度较低时，表层塑性变形程度不大，当速度增加时，随着表面塑性变形程度的增加，加工硬化现象也明显增强，速度v=75 m/min和v=125 m/min两种参数下表面显微硬度变化不大，这种现象与在此速度下表面塑性变形层深度的变化趋势相一致。 2.4 残余应力

残余应力也是由于不均匀的塑性变形导致，机械加工过程中的机械效应和热效应都会导致残余应力的产生。车削加工时，由于产生大量的切削热，使得加工表层受热膨胀，冷却后形成残余拉应力，而机械效应会产生相反的结果，残余应力的最终状态是这两种竞争机制相互作用的结果^[6]。

图 6为不同车削速度下表面残余应力的分布情况。由图 6可知，表面残余应力均为拉应力，随着速度的增加拉应力呈现先增大后减小的趋势。这种结果表明热效应在热机耦合效应中起到了主导作用，其变化规律与表面热量的传播有很直接的联系。当v在25~75 m/min 区间变化时，表面残余拉应力由306.3 MPa增加至356.2 MPa；但当速度增加到125 m/min时，表层残余拉应力反而减小为286.7 MPa，其原因如图 7所示。热量在加工过程中的传播路径可分为3个部分：一部分随切屑流失；另一部分传播到加工材料内部；最后一部分被刀具带走^[13]。如图 7(a)所示，在较低速度下大部分热量传播至工件，并且随着速度的增大，产生的热量也随之增加，使得表面的残余拉应力逐渐增大。但与此同时，金属去除率也在逐渐增加。如图 7(b)所示，当速度增加到一定程度时，由于热量传播时间变短，以及材料较低的热传导率，导致大量的热来不及传播到工件中，大部分的热量被切屑带走，表面热效应减弱，从而残余拉应力会有所减小。此外就机械效应这一影响因素而言，在速度增大的过程中，切削力随之减小^[11,12]，由此表面产生的残余压应力不断减小，最终在热力耦合作用下表面最终呈现为残余拉应力，且残余拉应力值先增大后减小。

图 6 表面残余应力随车削速度的变化规律Fig. 6 Changing law of the surface residual stress at different cutting speeds

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图 7 不同切削速度下表面热量的传播[13]Fig. 7 Heat propagation during machining at different cutting speeds[13]

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图 8为不同车削速度下轴向残余应力沿深度方向的分布规律：整体上呈现“钩形”，表面表现为残余拉应力，并且沿深度方向残余拉应力先减小，在距离表面5~10 μm处残余拉应力开始转变为压应力，随后压应力先增大后减小直至趋近于零。造成这种现象的原因在于已加工表面表层温度相对次表层温度高，所以切削过后表层和次表层冷却至室温时表层收缩多、里层收缩少，表层收缩受到次表层限制，因而表层表现为拉应力，次表层就表现为压应力。最大残余压应力在30~50 μm处，随着速度的增加最大残余压应力离表面的距离越近，残余应力的梯度也越大，约200 μm处残余应力逐渐消失。而且不难发现，内部残余压应力的最大值随着速度的增加呈现减小的趋势，这也与随着速度的增加切削力减小有关^[11,12]。

图 8 不同切削速度下的残余应力Fig. 8 Residual stresses at different cutting speeds

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(1) 随着车削速度的增加表面粗糙度呈现下降趋势，当v=125 m/min时，表面粗糙度达到最小为1.059 μm。

(2) 当v=75、125 m/min时，加工表面存在滑移和晶粒拉长的现象，并且在所有加工参数下，加工表层均存在明显的加工硬化现象，影响层达200 μm。

(3) 表面残余拉应力随着车削速度的增加先增大后减小，当v=75 m/min时，表面残余拉应力最大为356.2 MPa。而内部压应力随着速度的增加呈现减小的趋势。在距离加工表面5~10 μm处残余拉应力开始转变为压应力，最大残余压应力在30~50 μm处，随着速度的增加最大残余压应力离表面的距离也越近，残余应力的梯度也越大，约200 μm处残余应力逐渐消失。从残余应力结果和表面粗糙度的趋势来看选择较大一点的加工速度能获得较好的表面完整性。