陳凱杰，顏 培，王 鵬，王玉彬，王西彬，焦 黎

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院 先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

球墨鑄鐵是20世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的一種高強(qiáng)度鑄鐵材料。通過(guò)球化和孕育處理，將普通鑄鐵內(nèi)的片狀石墨轉(zhuǎn)化為球狀，降低了層片狀石墨引起的應(yīng)力集中，可有效提高鑄鐵的抗沖擊性能和抗剪切強(qiáng)度等力學(xué)性能[1-4]。得益于良好的鑄造工藝性以及優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性，球墨鑄鐵已成功應(yīng)用于承載復(fù)雜，強(qiáng)度、韌性和耐磨性要求較高的零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、凸輪軸和齒輪等零部件[5-6]。

球墨鑄鐵屬于難加工材料，選取合適的刀具以及切削參數(shù)對(duì)球墨鑄鐵進(jìn)行切削加工一直是研究的熱點(diǎn)，尤其是在表面質(zhì)量方面[7-9]。高艷[10]通過(guò)對(duì)球墨鑄鐵進(jìn)行正交銑削試驗(yàn)，得出表面粗糙度隨著銑削速度的增加而減小，隨著進(jìn)給量和切深的增大而增大的結(jié)論。Olutosin[11]研究了用硬質(zhì)合金刀具對(duì)珠光體球墨鑄鐵銑削時(shí)，切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響：進(jìn)給速度和切削速度的提高使平均表面粗糙度降低；切削深度的增加使表面粗糙度顯著降低。許鋒[12]通過(guò)面銑刀和立銑刀分別銑削鑄鐵，以加工效率、加工成本、表面粗糙度和切削力振幅為高速銑削工藝優(yōu)化目標(biāo)，分析了銑削速度、每齒進(jìn)給量、銑削深度和銑削寬度對(duì)其影響規(guī)律，并且利用多元線形回歸的方法，建立了表面粗糙度和切削力的模型。周憶[13]通過(guò)對(duì)超高速銑削加工的切屑形態(tài)和刀具的分析，得出了在超高速銑削加工過(guò)程中所存在的如下4種效應(yīng)：工件材料受熱疊積效應(yīng)、工件材料受熱軟化效應(yīng)、切削區(qū)溫度趨同性效應(yīng)和刀具受熱隨散效應(yīng)，并對(duì)各影響因素進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。

發(fā)動(dòng)機(jī)箱體和缸蓋等大尺寸平面銑削加工過(guò)程中，既要求較高的表面質(zhì)量，又要求高的加工效率與刀具壽命[14-16]。由于球墨鑄鐵切削溫度高，刀具磨損快，其高效精密加工是企業(yè)面臨的主要問(wèn)題之一。本文針對(duì)典型的高功率密度發(fā)動(dòng)機(jī)箱體和箱蓋等零部件的大尺寸高效精密銑削，研究切削工藝參數(shù)的變化對(duì)表面粗糙度及切屑形態(tài)的影響規(guī)律，以指導(dǎo)實(shí)際切削加工過(guò)程，提高加工表面質(zhì)量及效率。

1 切削試驗(yàn)

本研究所選擇的工件材料是一種抗拉強(qiáng)度≥400 MPa、延伸率≥15%、屈服強(qiáng)度≥250 MPa的鐵素體球墨鑄鐵，材料牌號(hào)為QT400—15，其主要成分見(jiàn)表1。該材料具有高的強(qiáng)度和韌性，是目前高功率密度發(fā)動(dòng)機(jī)箱體和缸蓋的主要材料。

表1 QT400—15主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

切削試驗(yàn)在DMU 80 mono BLOCK立式五軸加工中心上進(jìn)行。所選擇的刀盤是直徑為160 mm的Sandvik盤銑刀S-60-160Q40-09HX，齒數(shù)為8。刀片為Sandvik Coromant HNEF090508-KL，其刃口半徑為0.8 mm。為保證切削過(guò)程中每個(gè)刀刃切削深度的均勻性和高精度的動(dòng)平衡性，采用Zoller對(duì)刀儀多次對(duì)刀調(diào)整之后，各個(gè)刀刃的高度差≤8 μm。試驗(yàn)過(guò)程中采用的主要工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 主要的切削工藝參數(shù)范圍

切削過(guò)程中，通過(guò)DMU 80數(shù)控系統(tǒng)可直接讀取機(jī)床主軸的即時(shí)功率占比。已加工表面的粗糙度采用Landtek SRT—6200手持式粗糙度儀進(jìn)行測(cè)量，在銑削表面沿進(jìn)給方向取均勻分布的9個(gè)不同的位置進(jìn)行測(cè)量并取平均值；每組試驗(yàn)后收集主要典型切屑進(jìn)行拍照。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 主軸功率占比

主軸功率占比的大小決定了銑削過(guò)程中所消耗的功率和加工工藝系統(tǒng)的變形，同時(shí)還直接影響切削熱的產(chǎn)生，并進(jìn)一步影響刀具的磨損、破損和耐用度等，對(duì)加工精度和加工質(zhì)量有著直接的影響；因此，研究球墨鑄鐵在銑削時(shí)主軸功率的變化規(guī)律有助于分析銑削過(guò)程。

在大尺寸刀盤滿齒銑削過(guò)程中，由于實(shí)際切削過(guò)程中參與切削的刀刃數(shù)量多，切削接觸區(qū)長(zhǎng)，導(dǎo)致切削力大、主軸功率高。主軸功率占比隨工藝參數(shù)的變化如圖1所示。

圖1 主軸功率占比隨工藝參數(shù)的變化

由圖1a可以看出，隨著切削速度增加，主軸功率占比逐漸增大到某一值后又減小，這主要是由于切削速度過(guò)高導(dǎo)致切削溫度增加，一方面，工件材料發(fā)生熱疊積軟化效應(yīng)和絕熱剪切效應(yīng)，使工件材料強(qiáng)度下降；另一方面，刀具受機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的共同作用，磨破損嚴(yán)重使實(shí)際切深變小。這兩方面均可以降低切削力與切削扭矩，使主軸功率占比減小，但切削后表面刀紋明顯。由圖1b和圖1c可以看出，隨著每齒進(jìn)給量和切削深度的增加，主軸功率占比基本呈線性增大，這符合金屬切削過(guò)程的一般規(guī)律。

2.2 表面粗糙度

已加工表面的粗糙度隨工藝參數(shù)的變化如圖2所示。由圖2可以看出，表面粗糙度值隨切削速度的增加呈線性減小，隨每齒進(jìn)給量和切削深度的增加變化不顯著，符合金屬切削過(guò)程的一般規(guī)律?？梢?jiàn)，對(duì)于球墨鑄鐵平面銑削加工而言，適當(dāng)提高切削速度，在提高切削加工效率的同時(shí)有助于獲得較低的表面粗糙度。

圖2 表面粗糙度隨工藝參數(shù)的變化

2.3 切屑形態(tài)

在平面銑削過(guò)程中，切削厚度的時(shí)變特性導(dǎo)致切屑形態(tài)復(fù)雜，同一切削工藝參數(shù)下通常是多種切屑形態(tài)共存。本研究選取每種切削過(guò)程中主要的切屑形態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析。

不同切削速度下典型切屑形態(tài)的變化趨勢(shì)如圖3所示。由圖3可以看出，當(dāng)切削速度<240 m/min時(shí)，以卷曲狀切屑為主，隨著速度的提高，其卷曲程度逐漸增加，切屑長(zhǎng)度逐漸減小，這主要是由切屑變形速度升高引起的；當(dāng)切削速度>300 m/min時(shí)，其形態(tài)主要為薄片狀，切屑顏色呈現(xiàn)金黃色，隨著速度的繼續(xù)提高，切屑逐漸變成碎屑狀，這主要是由切削區(qū)溫度迅速升高引起的。不同切削速度下的切屑形態(tài)表明，高速銑削加工時(shí)的材料去除效應(yīng)不同于普通的切削加工，除存在普通切削加工時(shí)材料的剪切變形去除效應(yīng)，更重要的是存在由于高速高溫產(chǎn)生的特殊材料受熱軟化去除效應(yīng)。

圖3 切屑形態(tài)隨切削速度的變化 (ap=0.20 mm, f=0.15 mm/r)

不同進(jìn)給量下典型切屑形態(tài)的變化趨勢(shì)如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)進(jìn)給量<0.15 mm/r時(shí)，隨著進(jìn)給速度的增加，典型切屑從碎屑向卷曲狀切屑轉(zhuǎn)變，且卷曲程度及切屑長(zhǎng)度逐漸增加，這是由于切削溫度升高使材料塑性增加、摩擦因數(shù)下降導(dǎo)致的；當(dāng)進(jìn)給量達(dá)到0.20 mm/r時(shí)，典型切屑呈薄片狀(部分碎屑)，這是由于切削厚度和溫度繼續(xù)升高導(dǎo)致的。

圖4 切屑形態(tài)隨進(jìn)給量的變化 (ap=0.20 mm, v=240 m/min)

不同切削深度下典型切屑形態(tài)的變化趨勢(shì)如圖5所示。由圖5可以看出，隨著切削深度的增加，典型切屑從薄片狀(部分碎屑)向卷曲狀切屑轉(zhuǎn)變，且切屑長(zhǎng)度和卷曲程度均增加，這符合金屬切削原理中切削深度越大，越不易斷屑的一般規(guī)律。

圖5 切屑形態(tài)隨切削深度的變化 (f=0.15 mm/r，v=240 m/min)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)切削試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論。

1)隨著每齒進(jìn)給量和切削深度的增加，主軸功率占比基本呈線性增大趨勢(shì)。隨著切削速度的增加，主軸功率占比逐漸增大到某一值后，切削溫度迅速上升，導(dǎo)致材料塑性增加，主軸功率占比又出現(xiàn)一定程度的減小。

2)表面粗糙度值隨切削速度的增加線性減小，隨每齒進(jìn)給量和切削深度的增加變化不顯著；因此，適當(dāng)提高切削速度有助于降低表面粗糙度。

3)隨著切削速度的提高，切削溫度升高，切屑形態(tài)由卷曲狀過(guò)渡到薄片狀再到碎屑狀，且切屑顏色呈現(xiàn)金黃色。隨著進(jìn)給量的增加，切屑從碎屑轉(zhuǎn)變?yōu)榫砬鸂钋行荚俚奖∑瑺?部分碎屑)。隨著切削深度的增加，切屑從薄片狀(部分碎屑)向卷曲狀切屑轉(zhuǎn)變。

4)對(duì)球墨鑄鐵高速大平面銑削而言，在選擇合理的切削深度和進(jìn)給量的前提下，適當(dāng)提高切削速度對(duì)主軸功率占比影響不大，卻能在提高切削效率的同時(shí)，獲得更好的加工質(zhì)量。