林勇傳，冀全鑫，賴德斌，周宇峰，韋玨宇

(1.廣西大學(xué)機械工程學(xué)院，南寧 530004；2. 東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005)

0 引言

隨著蠕墨鑄鐵的鑄造工藝的不斷完善[1-2]，蠕墨鑄鐵已廣泛應(yīng)用于發(fā)動機及汽車零部件制造上，具有巨大的發(fā)展?jié)摿3]。然而蠕墨鑄鐵雖具有良好的綜合性能[4]，但其加工性能相較于其他鑄鐵材料卻是最差的[5]。因此如何科學(xué)有效的針對各牌號蠕墨鑄鐵進(jìn)行加工成為了新的難題。

為了提高蠕墨鑄鐵加工性能，國內(nèi)外研究的主要是在切削溫度，刀具磨損，蠕化劑等方面[6-8]，但對蠕墨鑄鐵加工表面質(zhì)量的研究較少。其中，文獻(xiàn)[9]采用TiAlN涂層和無涂層硬質(zhì)合金刀具對蠕墨鑄鐵進(jìn)行銑削加工，構(gòu)建了切削用量對切削力和表面粗糙度的多因數(shù)交互的回歸模型。結(jié)果表明，涂層刀具加工壽命較長，不易崩邊，能承受較高轉(zhuǎn)速，獲得更好的表面粗糙度和加工效率。文獻(xiàn)[10]通過實驗及仿真發(fā)現(xiàn),涂層和未涂層硬質(zhì)合金刀具銑削蠕墨鑄鐵時的后刀面磨損趨勢基本一致,但涂層刀具的銑削溫度低,且加工面具有較小的表面粗糙度。文獻(xiàn)[11]對PCBN刀具車削RuT400時的切削性能進(jìn)行了研究，探究了不同切削參數(shù)、刀尖圓弧半徑下的刀具磨損以及表面粗糙度，發(fā)現(xiàn)PCBN刀具切削蠕墨鑄鐵的最佳的切削速度在Vc=340～500 m/min之間；加工工件的表面粗糙度會隨著PCBN刀具圓弧半徑的增加而先減小后增大，當(dāng)PCBN刀具刀尖圓弧半徑為0.8 mm時，能獲得最小的表面粗糙度。文獻(xiàn)[12]通過對蠕墨鑄鐵RuT400的銑削加工建立起DE-SVM模型，可預(yù)測加工零部件的表面粗糙程度是否滿足實際生產(chǎn)要求。

目前，國內(nèi)對蠕墨鑄鐵加工的研究主要在RuT400及以下牌號，對高牌號RuT450的研究則是寥寥無幾；加工蠕墨鑄鐵的刀具則集中于傳統(tǒng)單一涂層(TiCN、TiAlCN)的硬質(zhì)合金刀具或PCBN類刀具，對復(fù)合涂層及陶瓷類刀具切削蠕墨鑄鐵的研究亦是不多。因此本文將基于正交試驗，采用涂層Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷刀具、無涂層Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷刀具對高牌號RuT450進(jìn)行車削加工，探究涂層和切削參數(shù)對工件表面質(zhì)量的影響及機理，為復(fù)合陶瓷刀具切削RuT450提供理論依據(jù)。

1 試驗過程

本次試驗選用的工件材料為蠕墨鑄鐵，牌號為RuT450，材料化學(xué)成分如表1所示。試驗前將其加工成φ90×180 mm的圓形試棒。

表1 蠕墨鑄鐵RuT450主要化學(xué)元素成分

刀具選用京瓷(KYOCERA)切削工具集團(tuán)生產(chǎn)的多元氮化物涂層Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷刀具、無涂層Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷刀具，切削刀具參數(shù)如表2所示。

表2 實驗刀具種類及性能參數(shù)

切削試驗平臺為CY-K360n/1000數(shù)控機床，試驗采用干式切削。粗糙度測量裝置選用日本生產(chǎn)的SJ-310粗糙度測量儀作為粗糙度測量裝置。采用某公司生產(chǎn)的MH660數(shù)字式便攜硬度計對加工后RuT450的表面硬度進(jìn)行測量。切削過程如圖1所示。

圖1 切削加工過程

選用三因素三水平的正交表進(jìn)行蠕墨鑄鐵的車削實驗。對加工初期(切削時間t1約為1～10 s)及末期(t2約為50～60 s)加工段內(nèi)隨機5個位置(工件共繞回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)一周)的表面粗糙度及硬度進(jìn)行檢測，并取平均值作為某參數(shù)組合下工件的表面粗糙度及硬度。L9(34)正交試驗表如表3所示。

表3 L9(34)正交試驗表

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層對表面粗糙度及硬度的影響

正交實驗方案下涂層/無涂層陶瓷刀具切削蠕墨鑄鐵RuT450的表面粗糙度、硬度如表4所示。

表4 涂層/無涂層陶瓷刀具表面粗糙度和硬度值

圖2 涂層/非涂層陶瓷刀具初、末期粗糙度及變化值

由表4和圖2可知，涂層/無涂層陶瓷刀具在各參數(shù)下的表面粗糙度與硬度基本一致。無涂層陶瓷刀具的初-末期表面粗糙度值變化(末期表面粗糙度值與初期粗糙度值之差)較大，說明涂層陶瓷刀具切削的一致性較好。相比涂層刀具，無涂層刀具磨損較大，基體磨損形貌更為不平整，是表面粗糙度增大的重要原因。涂層/無涂層陶瓷刀具加工后的表面硬度值差異性較小，說明兩種刀具所產(chǎn)生的切削溫度對基體相變、“淬火”影響程度基本一致。

2.2 極差分析

在極差分析中，Ki表示任一列水平號為i(本實驗i=1,2,3)時，所對應(yīng)的實驗結(jié)果之和。因素對指標(biāo)的影響程度與極差R有關(guān)，R越小，則相應(yīng)因素對指標(biāo)量的影響程度越小[13]。

從圖3中可知切削參數(shù)對RuT450表面粗糙度影響程度：B(進(jìn)給速度)>A(切削速度)>C(背吃刀量)，最優(yōu)水平組合是B1A3C2。即在給定的切削參數(shù)范圍下，進(jìn)給速度(f=0.05 mm/r)、切削速度(Vc=400 m/min)、背吃刀量(ap=1 mm)時能獲得最為良好的表面粗糙度。同時我們從圖4得出，切削參數(shù)對表面硬度影響程度：A(切削速度)>C(背吃刀量)>B(進(jìn)給速度),背吃刀量和進(jìn)給速度對表面硬度幾乎沒什么影響。

圖3 表面粗糙度極差分析

圖4 表面硬度極差分析

2.3 切削參數(shù)對表面粗糙度及硬度的影響

ki表示任一列上因素取水平i時所得實驗結(jié)果的算術(shù)平均值。將因素水平作為橫坐標(biāo)，以它對應(yīng)的試驗指標(biāo)平均值ki為縱坐標(biāo)做出趨勢圖，可以很容易看出指標(biāo)隨因素數(shù)值增大時的變化趨勢[13]。

2.3.1 切削速度對表面粗糙度及硬度的影響

繪制切削速度-表面粗糙度及硬度變化趨勢(Vc-Ra/HL)曲線，如圖5所示。

圖5 切削速度-表面粗糙度及硬度變化趨勢

由圖5可知，表面粗糙度隨著切削速度的增加而降低，其變化規(guī)律基本符合傳統(tǒng)加工中脆性材料的表面粗糙度與切削速度之間關(guān)系的結(jié)論。當(dāng)切削速度由100 m/min提升至200 m/min，表面粗糙度的減少較為明顯，主要原因為以下三個方面：首先，由文獻(xiàn)[14]可知，隨著溫度的增加，蠕墨鑄鐵的延伸率受嚴(yán)重的應(yīng)變硬化(碳化物沉淀)的影響先減小后增加，轉(zhuǎn)折溫度300 ℃。在Vc=200 m/min時檢測到刀具平均溫度為330 ℃左右，而切削區(qū)域溫度約為刀具平均溫度的1.3～2倍。高溫下，蠕墨鑄鐵RuT450的抗拉強度、延伸率急劇減小，塑性變形能力得到極大加強；此外，多元氮化物涂層的氧化溫度約為1000 ℃，涂層刀具仍保持良好的硬度及強度；最后，切削速度的提升減少了刀具與單位體積金屬之間的摩擦。而表面硬度隨著切削速度增加而增加，切削產(chǎn)生的高溫是硬度增加的主要原因。

2.3.2 進(jìn)給速度對表面粗糙度及硬度的影響

繪制進(jìn)給速度-表面粗糙度及硬度變化趨勢(f-Ra/HL)曲線，如圖6所示。

由圖6可知，表面粗糙度在進(jìn)給速度f=0.05 mm/r～0.1 mm/r范圍內(nèi)變化不大，而在f=0.1 mm/r～0.2 mm/r范圍內(nèi)急劇增加。急劇增加的主要原因是刀具圓弧半徑-進(jìn)給速度交互作用下的工件表面殘留物高度的增加；除此之外，采用大進(jìn)給速度對機床穩(wěn)定性提出了更高的要求，加工過程中的不規(guī)則振動使表面粗糙度增加。但小進(jìn)給速度(f=0.05 mm/r)卻無法明顯減少表面粗糙度，一方面是由于部分切削刃對已加工表面進(jìn)行二次加工，使得已加工表面受到更多摩擦；另一方面則是石墨在刀尖擠壓作用下易發(fā)生破裂，出現(xiàn)微裂紋。經(jīng)計算，f=0.05、0.1、0.2 mm/r的理論粗糙度分別為：0.39 μm、1.56 μm、6.25 μm。通過計算可知，f=0.05 mm/r時的實際表面粗糙度與理論粗糙度Ra理論的結(jié)果最為相近，而f=0.1、0.2 mm/r時的理論粗糙度Ra理論則偏大，高溫下金屬塑性能力的增加是實際粗糙度偏小的主要原因。而表面硬度基本不隨著進(jìn)給速度的變化而變化。

圖6 進(jìn)給速度-表面粗糙度及硬度變化趨勢

2.3.3 背吃刀量對表面粗糙度及硬度的影響

繪制背吃刀量-表面粗糙度及硬度變化趨勢(ap-Ra/HL)曲線，如圖7所示。

圖7 背吃刀量-表面粗糙度及硬度變化趨勢

由圖7可知，表面硬度基本不隨著背吃刀量的變化而變化，而表面粗糙度隨背吃刀量的增加先減小后增加。當(dāng)背吃刀量較小(ap=0.5 mm)時，在刀具擠壓、摩擦下易形成崩碎型切屑，造成脆性材料表面的不規(guī)則破裂。當(dāng)背吃刀量ap=0.5 mm～1 mm時，熱軟化作用使材料塑性增強，表面粗糙度略有下降。而較大的背吃刀量(ap≥1 mm)時，由于加工過程中切削振動、切削力激增使摩擦、擠壓作用更嚴(yán)重，表面粗糙度再次增加。

3 結(jié)論

本文通過正交試驗，對不同切削參數(shù)下涂層/無涂層陶瓷刀具切削的表面粗糙度、硬度進(jìn)行了研究，得出具體結(jié)論如下：

(1)涂層刀具的初-末期表面粗糙度變化值(末期表面粗糙度值與初期粗糙度值之差)比無涂層刀具要小，涂層刀具的切削一致性較好。

(2)對RuT450表面粗糙度影響最顯著的因素是進(jìn)給速度，其次是切削速度，背吃刀量對表面粗糙度的影響程度相對較小。對RuT450表面硬度影響最顯著的因素是切削速度，背吃刀量和進(jìn)給速度對表面硬度幾乎沒什么影響。

(3)在給定參數(shù)范圍內(nèi)，表面粗糙度隨著切削速度的增大而減小，隨著進(jìn)給速度的增大而增大，而隨著背吃刀量的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。表面硬度隨著切削速度的增大而增大，而隨著進(jìn)給速度、背吃刀量的增大基本不會出現(xiàn)明顯的變化。