艾曉南 馬 偉 丁 澤 王 坤 張連杰 孟祥東

(①內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；②濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061；③大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

隨著大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的不斷提高，提升功率、減輕重量、縮小體積、降低燃油消耗及排放量成為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向[1]。而蠕墨鑄鐵材料因具有高強(qiáng)度、高疲勞強(qiáng)度、高延伸率、高致密度和高熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)[2]，恰好符合新一代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展需求。與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體材料灰鑄鐵、鋁合金相比，蠕墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、彈性模量和疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能都有較大提高[3]，將蠕墨鑄鐵用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸體可減小缸孔變形，實(shí)現(xiàn)薄壁化和輕量化[4]，因此蠕墨鑄鐵一躍成為制造柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋的理想材料。

加工蠕墨鑄鐵零件時(shí)刀具壽命大幅下降[5-6]。研究表明，當(dāng)用蠕墨鑄鐵代替灰鑄鐵時(shí)，在高速連續(xù)切削條件下，刀具壽命降低10～20倍[7]。

目前國(guó)內(nèi)大部分研究均是對(duì)蠕墨鑄鐵的材料性能、鑄造性能及鑄造控制進(jìn)行研究，而對(duì)機(jī)械加工的研究較少[8-9]。實(shí)際生產(chǎn)中，加工蠕墨鑄鐵的刀具和切削參數(shù)大多是刀具廠商推薦的，生產(chǎn)效率較低，并且對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋上的大面積平面的粗銑加工來(lái)說(shuō)，市面上暫無(wú)蠕墨鑄鐵專(zhuān)用平面銑刀，因此會(huì)在加工過(guò)程中出現(xiàn)切削溫度高、潤(rùn)滑效果差、刀具磨損過(guò)快等問(wèn)題[10-12]，進(jìn)而導(dǎo)致加工效率低下，加工表面質(zhì)量無(wú)法保證，材料損耗快，生產(chǎn)成本大大提高。這些都大大影響了蠕墨鑄鐵的發(fā)展與推廣，也阻礙了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步提升。本文研究了針對(duì)蠕墨鑄鐵平面粗銑加工的專(zhuān)用銑刀。經(jīng)過(guò)前期對(duì)蠕墨鑄鐵材料的切削研究，對(duì)比4款粗銑刀片，并對(duì)新刀具進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

1 粗銑試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備和加工材料

選用德國(guó)海勒MCH350臥式加工中心進(jìn)行干切削面銑試驗(yàn)，使用貝斯特液壓夾具對(duì)工件進(jìn)行夾持。使用放大倍率20～220倍，分辨率2 592×1 944的便攜式顯微鏡對(duì)工件和刀具進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察與檢測(cè)。

如圖1所示，工件采用某機(jī)型報(bào)廢機(jī)體，上平面已精銑完成，工件材質(zhì)為Rut400，本體抗拉強(qiáng)度≥400 MPa，材料硬度為200～250 HBW。

1.2 試驗(yàn)刀具

本次實(shí)驗(yàn)所使用刀片為自主研發(fā)的4款刀片以及一款現(xiàn)用品牌的對(duì)比刀片，具體參數(shù)如表1。

表1 刀具參數(shù)

4款新刀片針對(duì)蠕墨鑄鐵材料的特殊性能開(kāi)發(fā)了基體材料與涂層的專(zhuān)用刀片，如圖2所示，兩款槽型分別為GM大前角設(shè)計(jì)，切削輕快，GH高強(qiáng)度刃口，適于斷續(xù)切削。

Rut450-1全新超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金基體，Al2O3和MT-TiCN化學(xué)涂層，特殊表面后處理，提高樣品的耐磨，硬度較高。Rut450-2全新超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金基體，TiAlN物理涂層，韌性較強(qiáng)，同時(shí)具有良好的紅熱性。

1.3 粗銑試驗(yàn)

按照表1順序，依次準(zhǔn)備全新刀片，4款自主研發(fā)的刀片選用D160 F4033刀盤(pán)(刀盤(pán)齒數(shù)20)，現(xiàn)用品牌選用原裝D160刀盤(pán)(刀盤(pán)齒數(shù)24)。每個(gè)刀盤(pán)都只對(duì)稱(chēng)安裝4個(gè)刀片，為防止混裝，在刀盤(pán)對(duì)應(yīng)刀夾處標(biāo)記序號(hào)，如圖3所示。

首先進(jìn)行GMRUT450-1刀具切削試驗(yàn)，按照表2加工參數(shù)、圖1加工軌跡開(kāi)始試切。機(jī)體頂面缸孔處存在斷續(xù)加工情況，采用順銑方式。每個(gè)工件可加工8層，最后兩層工件較薄，存在振動(dòng)情況。

表2 工藝參數(shù)

批量工藝粗銑切深一般在5 mm，所以本次試驗(yàn)每切兩層(即Z軸進(jìn)給5 mm)計(jì)算為一個(gè)工件，試切暫停，拆下刀片用顯微鏡觀察并記錄后刀面磨損Vb，記錄完后按序號(hào)重新裝在刀盤(pán)對(duì)應(yīng)位置。

設(shè)定后刀面磨損量Vb=0.2 mm為換刀標(biāo)準(zhǔn)，正常磨損情況下，4個(gè)刀片中Vb值最大的到達(dá)0.2 mm即停止加工，記錄當(dāng)前刀具壽命。若試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)兩個(gè)以上刀片崩刃，即停止加工，記錄當(dāng)前切削次數(shù)為最終壽命，僅出現(xiàn)1個(gè)刀片崩刃情況，可替換新刀片繼續(xù)加工。

完成GMRUT450-1刀片試切后，按照上述步驟進(jìn)行GMRUT450-2刀片試驗(yàn)，因自主研發(fā)的剩余兩款刀片僅槽型發(fā)生變化，基體材料及涂層與前兩款完全相同，為節(jié)省試驗(yàn)資源提高效率，根據(jù)前兩個(gè)刀片試驗(yàn)結(jié)果僅選擇GHRUT450-1或者GHRUT450-2其中之一進(jìn)行試切。

為了對(duì)比專(zhuān)用刀片與現(xiàn)用刀片加工性能，按照上述步驟進(jìn)行現(xiàn)用WEIN2004刀片試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)刀具結(jié)果分析

試驗(yàn)中，同時(shí)將4個(gè)相同種類(lèi)刀片安裝在刀盤(pán)上進(jìn)行試切，每切兩層觀察一次，每次觀察取磨損量最大及發(fā)生崩刃的刀片進(jìn)行記錄和分析。試驗(yàn)分別使用了GMRUT450-1、GMRUT450-2和GHRUT450-2這3款自主研發(fā)刀片進(jìn)行試切，以及一款現(xiàn)用刀片進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)觀察、分析和總結(jié)后，發(fā)現(xiàn)3款自主研發(fā)刀片的刀具壽命均在現(xiàn)用刀片的基礎(chǔ)上有所提高。

表3 刀片磨損數(shù)據(jù)

如表3和圖4所示，自主研發(fā)刀具的刀具壽命均是現(xiàn)用刀具壽命的2倍以上，自主研發(fā)刀具有效降低了刀具磨損，降低生產(chǎn)成本。但3款自主研發(fā)刀具之間依然存在加工差異，接下來(lái)對(duì)每一款刀具進(jìn)行分析。

現(xiàn)用刀片WEIN2004進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，磨損數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，加工第6層，Vb值為0.106 mm，但1、2、3號(hào)刀片均出現(xiàn)一定程度崩刃，試驗(yàn)停止，記錄該壽命為6層。

跟蹤記錄GMRUT450-1刀片每切削2層后刀面磨損量與崩刃情況，其中第2層、第8層、第16層磨損情況如圖5所示。

加工至第16層，1號(hào)刀片、2號(hào)刀片出現(xiàn)崩刃，按照規(guī)則停止試驗(yàn)。剩余刀片最大磨損量為4號(hào)刀，Vb值為0.188 mm。

GMRUT450-1刀片進(jìn)行蠕墨鑄鐵平面銑削加工時(shí)，刀具壽命為16層，是現(xiàn)用刀具壽命的2.67倍，但由于其刀具涂層為Al2O3、MT-TiCN化學(xué)涂層，硬度較高，加工過(guò)程中，在達(dá)到壽命極限時(shí)已發(fā)生崩刃，容易對(duì)工件和刀桿造成損傷。

跟蹤記錄GMRUT450-2刀片每切削2層后刀面磨損量與崩刃情況，其中第2層、第12層、第22層刀具磨損情況如圖6所示。

磨損數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，加工至第22層時(shí)，所有刀片磨損Vb都達(dá)到0.2 mm以上，最大值出現(xiàn)在1號(hào)刀片。整個(gè)過(guò)程中未出現(xiàn)崩刀情況。

GMRUT450-2刀片進(jìn)行蠕墨鑄鐵平面銑削加工，刀具壽命為22層，是現(xiàn)用刀具壽命的3.66倍，刀片涂層為T(mén)iAlN物理涂層，韌性較強(qiáng)，磨損量增長(zhǎng)平緩，不會(huì)出現(xiàn)較大沖擊，不易發(fā)生崩刃現(xiàn)象。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步選擇與GMRUT450-2相同基體材料和涂層的GHRUT450-2繼續(xù)試驗(yàn)，跟蹤記錄每切削2層后刀面磨損量與崩刃情況，其中第2層、第10層、第16層刀具磨損情況如圖7所示。

磨損數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，加工第16層，所有刀片磨損Vb都達(dá)到0.2以上，最大值出現(xiàn)在1號(hào)刀片。

這款刀片為GH槽型(高強(qiáng)度刃口，適于斷續(xù)切削)、TiAlN物理涂層的GHRUT450-2刀片，即在第二把刀的基礎(chǔ)上僅改變槽型進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為，刀具壽命16層，是現(xiàn)用刀具壽命的2.66倍。因此，大前角(GM槽型)設(shè)計(jì)的槽型更適用于進(jìn)行蠕墨鑄鐵的銑削加工。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，GMRUT450-2刀片加工壽命最好，采用該刀片重復(fù)試驗(yàn)一次，與原結(jié)果一致。

2.2 粗銑刀具失效形式及機(jī)理分析

利用掃描電鏡(SEM)及能譜分析儀(EDS)觀察更換后的GMRUT450-2刀片，對(duì)刀具失效機(jī)理進(jìn)行深入分析。

對(duì)前刀面微觀形貌及成分進(jìn)行分析，從圖8中可發(fā)現(xiàn)，前刀面在刃口處存在粘接，分布較均勻，未出現(xiàn)明顯崩刃情況。對(duì)粘接區(qū)域b處進(jìn)行EDS分析，主要化學(xué)成分為Fe、Si、C，且3種元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和原子分?jǐn)?shù)總和均接近100%，這些成分主要來(lái)自于被加工材料，由此可見(jiàn)，蠕鐵粗銑前刀面主要失效模式為鐵屑粘接。

對(duì)后刀面觀察分析，磨損均勻未出現(xiàn)明顯崩刃現(xiàn)象，如圖9所示。從微觀形貌上發(fā)現(xiàn)明顯的溝槽及粘接現(xiàn)象，對(duì)粘接處進(jìn)行能譜分析，主要元素為Fe、Cr、Si、Mn，刀具材料中不存在這些元素，主要來(lái)自于被加工材料，判斷后刀面主要失效模式為磨粒磨損伴隨著鐵屑粘接。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，GMRUT450-2刀片進(jìn)行蠕墨鑄鐵銑削加工，刀片壽命是現(xiàn)用刀片壽命的3.66倍，大大降低加工成本。

(2)韌性更強(qiáng)的TiAlN物理涂層在蠕墨鑄鐵銑削加工中適應(yīng)性更好，能有效降低刀具磨損，緩解刀具崩刃的情況發(fā)生。

(3)槽型對(duì)刀片壽命影響較大，需要根據(jù)不同工況開(kāi)發(fā)專(zhuān)用槽型，試驗(yàn)結(jié)果表明，大前角槽型更適合蠕墨鑄鐵粗銑加工。

(4)蠕墨鑄鐵粗銑加工，刀具主要失效形式為前刀面粘接磨損，后刀面磨粒磨損伴隨粘接磨損。