王才成 李廣田 祁小玲 丁澤 閆聰

（1.內(nèi)燃機(jī)與動力系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濰坊 261001；2.山東大學(xué)，濟(jì)南 250000；3.林德液壓（中國）有限公司，濰坊 261061）

1 前言

蠕墨鑄鐵是下一代大功率柴油機(jī)的新材料[1]。蠕墨鑄鐵具有優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度、耐熱性、耐磨性和抗疲勞性，可以減輕發(fā)動機(jī)質(zhì)量、提高氣缸壓力[2]。據(jù)報道，蠕墨鑄鐵發(fā)動機(jī)的質(zhì)量比灰鑄鐵發(fā)動機(jī)的質(zhì)量約低9%[3]。當(dāng)前蠕墨鑄鐵已經(jīng)用于福特F-150 皮卡車、3.3L 奧迪V8 TDI 和4.0L 寶馬V8 發(fā)動機(jī)，表明蠕墨鑄鐵發(fā)動機(jī)的性能優(yōu)于灰鑄鐵[4-5]。

蠕墨鑄鐵是介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間的中間材料。蠕墨鑄鐵的力學(xué)性能與球墨鑄鐵相近。在蠕墨鑄鐵中，復(fù)雜的珊瑚狀石墨形態(tài)和圓形邊緣導(dǎo)致石墨和鐵基體之間有很強(qiáng)的粘附力，這是蠕墨鑄鐵機(jī)械性能得以改善的主要原因。由于蠕墨鑄鐵拉伸強(qiáng)度越高、導(dǎo)熱系數(shù)約為灰鑄鐵的78%[6-8]，因此，加工中的切削力大[9]、產(chǎn)生的熱量更容易累積，從而增加刀具磨損，從而導(dǎo)致蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)成本更高，這一問題嚴(yán)重阻礙了蠕墨鑄鐵的大規(guī)模生產(chǎn)。以往研究表明，低速加工灰鑄鐵的刀具壽命（Vc≤200 m/min）是蠕墨鑄鐵的兩倍，而高速加工灰鑄鐵的刀具壽命（Vc≥400 m/min）比蠕墨鑄鐵長20 倍[10]。近年來，隨著蠕墨鑄鐵在發(fā)動機(jī)材料中的應(yīng)用日益廣泛，蠕墨鑄鐵加工受到了廣泛的研究關(guān)注。切削參數(shù)（線速度V、進(jìn)給速度Vf和切削深度ap）對加工效率、刀具壽命和表面質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。Ni 等人[11]通過田口試驗(yàn)分析了V、Vf、ap和切削力Fz之間的關(guān)系，并提出了切削力預(yù)測模型。結(jié)果表明，V與Fz呈負(fù)相關(guān)，而Vf、ap與Fz呈正相關(guān)。Guo 等[12]使用頻率調(diào)制技術(shù)輔助蠕墨鑄鐵的高速加工，發(fā)現(xiàn)切削速度超過500 m/min后，刀具熱化學(xué)磨損明顯減少，刀具的使用壽命比傳統(tǒng)加工方法延長至少20 倍。Kuzu 等人[13]使用田口方法測試不同的切削參數(shù)，結(jié)果表明，進(jìn)給速度Vf對表面粗糙度Ra的影響最大，在不同的V下，Ra隨Vf的增加而增加。文獻(xiàn)[14]采用單因素實(shí)驗(yàn)研究了蠕墨鑄鐵銑削加工的工藝技術(shù)。結(jié)果表明，蠕墨鑄鐵銑削加工的切屑為較規(guī)則的螺旋管狀；高的切削速度和小的進(jìn)給量能有效改善切屑背面褶皺和層積現(xiàn)象；蠕墨鑄鐵銑削刀具的失效機(jī)理為粘結(jié)磨損、氧化磨損和擴(kuò)散磨損，并在其相互影響下導(dǎo)致刀具磨損失效，基本未出現(xiàn)崩缺等異?，F(xiàn)象。文獻(xiàn)[15]通過選擇適合加工蠕墨鑄鐵的切削液，可以有效降低生產(chǎn)成本。試驗(yàn)結(jié)果表明俄美達(dá)切削液加工蠕墨鑄鐵效果最好，其后刀面磨損形式是涂層磨損。以上科研工作者針對蠕墨鑄鐵的切削加工已經(jīng)進(jìn)行了許多研究，并優(yōu)化蠕墨鑄鐵的加工參數(shù)，但是由于蠕墨鑄鐵材料、刀具和設(shè)備的不同，蠕墨鑄鐵的最佳切削參數(shù)尚未得到。

作為高性能柴油機(jī)最理想的材料，蠕墨鑄鐵的加工難度嚴(yán)重阻礙了其批量生產(chǎn)。高性能柴油機(jī)對表面質(zhì)量有嚴(yán)格的要求。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)表面質(zhì)量較差時，漏水、漏氣、漏油的可能性增大，嚴(yán)重影響高性能發(fā)動機(jī)的性能。本研究與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化蠕墨鑄鐵的銑削工藝，理清銑削工藝對蠕墨鑄鐵表面的石墨形態(tài)、表面粗糙度以及切削厚度的影響規(guī)律，為蠕墨鑄鐵的銑削加工提供技術(shù)支持。

2 試驗(yàn)方法

2.1 工件材料

蠕墨鑄鐵工件的化學(xué)成分如表1 所示。毛坯尺寸200mm×50mm×50mm。根據(jù)GB/T 26656—2023《蠕墨鑄鐵金相檢驗(yàn)》，蠕墨鑄鐵(CGI)-450 蠕墨度可達(dá)80。

銑削加工的機(jī)床為臺灣喬福VMC-1300HD，最大主軸轉(zhuǎn)速：4 500 r/min，三軸行程為1 300/850/710 mm?；趯W(xué)者對蠕墨鑄鐵加工刀具的研究，發(fā)現(xiàn)在蠕墨鑄鐵發(fā)動機(jī)缸體工作面精加工銑削工況下，就刀具壽命而言，銑削蠕墨鑄鐵時，選取涂層硬質(zhì)合金刀具比選取陶瓷刀具更好。因此本實(shí)驗(yàn)選用的面銑刀刀盤直徑63 mm，刀桿型號為EMRW6R，刀片型號RDMT1240MO-TN-ZT30，涂層為TiN 的超硬化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD)涂層，切削液選用俄美達(dá)牌，圖1 為刀桿實(shí)物圖。采用掃描電子顯微鏡SEM(型號為FEI200，F(xiàn)EI 公司，美國)觀察樣品表面形貌。蠕墨鑄鐵采用苦味酸腐蝕后進(jìn)行金相檢測。

圖1 刀桿實(shí)物示意

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在銑削加工過程中，切削速度V、進(jìn)給速度Vf和切削深度ap為影響表面粗糙度最主要的加工參數(shù)。以蠕墨鑄鐵RuT450 加工后的表面粗糙度為目標(biāo)，對3 個加工參數(shù)選取不同水平值，設(shè)計(jì)了25組實(shí)驗(yàn)，采用MitutoyoSurftestSJ-310 表面粗糙度儀測量粗糙度值。試驗(yàn)參數(shù)及因素水平見表2。在25 組加工參數(shù)不同組合及對應(yīng)的表面粗糙度數(shù)據(jù)中，選取前17 組作為預(yù)測模型的訓(xùn)練集，后8 組為預(yù)測模型的測試集。

表2 蠕墨鑄鐵銑削因素試驗(yàn)表

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 蠕墨鑄鐵的微觀組織

從圖2 可以看出，鐵素體是石墨周圍灰色的塊狀相，珠光體大多呈片狀，還具有少量的點(diǎn)狀珠光體。由于試樣的碳當(dāng)量應(yīng)在共晶成分附近，其在發(fā)生共析反應(yīng)的過程中應(yīng)析出二次滲碳體，但二次滲碳體析出時，鐵液中已存在共晶滲碳體，且二次滲碳體單獨(dú)形核需要很高的結(jié)晶條件，故二次滲碳體應(yīng)吸附在共晶滲碳體表面，促進(jìn)共晶滲碳體的長大，即自由滲碳體的含量應(yīng)較少。圖2c中試樣的石墨周圍既存在珠光體也存在鐵素體，珠光體基本均為片狀珠光體，但如箭頭標(biāo)示處也存在少量的粒狀珠光體。珠光體的片層細(xì)小、均勻、清晰、位相變化多。此外，基體中還存在游離鐵素體。

圖2 蠕墨鑄鐵的微觀組織

從圖3 可以發(fā)現(xiàn)蠕鐵中石墨的形狀、數(shù)量及分布存在明顯的差異。試樣中存在蠕蟲狀和球狀2種形態(tài)。圖3a中A區(qū)域和圖3c的石墨呈現(xiàn)短厚，端部圓鈍，呈彎曲狀，該試樣的石墨為典型的蠕蟲狀石墨，石墨的長寬比約為5～11。圖3b的試樣石墨呈現(xiàn)球狀，內(nèi)部鑲嵌蠕化劑。從圖中能夠清晰地看到，該試樣的球狀石墨呈孤立的多邊形而存在，其具有鮮明的年輪狀結(jié)構(gòu)特征，整個石墨球被一些輻射狀條紋劃分成多個扇形，表現(xiàn)出了球狀石墨的多晶體特征，以上的諸多特征說明該球狀石墨的表面光潔度不太高。此外，還存在少量彼此孤立的、表面不平整的厚片形及直徑與片厚度相當(dāng)?shù)狞c(diǎn)狀石墨。圖3d 為蠕墨鑄鐵加工前的石墨形態(tài)與球化的統(tǒng)計(jì)分析，是以直徑為120 μm、60 μm、30 μm、15 μm 為邊界，獲得的單位面積上石墨個數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖可見蠕墨鑄鐵內(nèi)大直徑的球狀石墨較少，多數(shù)集中在15 μm左右。

圖3 未腐蝕蠕墨鑄鐵的石墨形態(tài)

3.2 蠕墨鑄鐵銑削工藝的優(yōu)化

蠕墨鑄鐵銑削工藝優(yōu)化試驗(yàn)及測量結(jié)果見表3。

表3 蠕墨鑄鐵銑削工藝優(yōu)化試驗(yàn)及測量結(jié)果

表4 是依據(jù)表3 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出的計(jì)算結(jié)果，其中10 個重要參數(shù)：K1、K2、K3、K4、K5、S1、S2、S3、S4 和S5。Ki（i=1,2,3,4,5）為25 列中數(shù)字與“i”對應(yīng)的切削厚度之和。Si（i=1,2,3,4,5）為25 列中數(shù)字與“i”對應(yīng)的表面粗糙度之和。范圍H1 和H2是通過正交試驗(yàn)可以直觀分析的主要指標(biāo)。H1定義為相應(yīng)系數(shù)列中最大K值和最小K值之間的差。H2 定義為相應(yīng)系數(shù)列中最大S值和最小S值之間的差，分別用公式（1）和（2）表示。

表4 蠕墨鑄鐵銑削工藝優(yōu)化結(jié)果

H1 和H2 反映了各因素對切屑厚度和表面粗糙度的影響程度。一般來說，每列的數(shù)值并不相等，這表明每個因素對指數(shù)性能的影響是不同的。數(shù)值越大，說明指標(biāo)的影響越大。由表4 可知，對于切削厚度而言，切削速度＞進(jìn)給量＞背吃刀量；對于表面粗糙度而言，切削速度＞進(jìn)給量＞背吃刀量，所以背吃刀量的影響是最小的，但由于有兩個目標(biāo)函數(shù)，在滿足切削厚度最優(yōu)值時難以滿足表面粗糙度最優(yōu)。所以正交試驗(yàn)僅驗(yàn)證了各因素的重要性順序。它只考慮這些實(shí)驗(yàn)點(diǎn)之間的最優(yōu)值，沒有考慮整個實(shí)驗(yàn)范圍的最優(yōu)值。

為了進(jìn)一步研究銑削工藝參數(shù)對切屑厚度和表面粗糙度這兩個目標(biāo)的綜合影響，利用正交試驗(yàn)結(jié)果構(gòu)建了BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。將表3 中的25組數(shù)據(jù)選取70%（試驗(yàn)1 到17）用來進(jìn)行訓(xùn)練，這些數(shù)據(jù)在訓(xùn)練過程會呈現(xiàn)給網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的誤差進(jìn)行調(diào)整；15%的數(shù)據(jù)（試驗(yàn)18 到21）被用來測量網(wǎng)絡(luò)泛化，并在泛化停止改善時停止訓(xùn)練。

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型由輸入層的3 個神經(jīng)元和輸出層的兩個神經(jīng)元組成。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，隱藏層中的神經(jīng)元數(shù)量設(shè)置為20 個。根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)和算法對訓(xùn)練樣本進(jìn)行訓(xùn)練。當(dāng)性能的均方誤差（MSE）水平令人滿意時，訓(xùn)練停止。根據(jù)公式（3）計(jì)算確定網(wǎng)絡(luò)性能的均方誤差（MSE）。5 個訓(xùn)練周期后，MSE 為0.21573。訓(xùn)練誤差曲線如圖4 所示。

圖4 BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程

為了確認(rèn)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確性，剩余的4 組試驗(yàn)（表3 中的試驗(yàn)22～25）被用作網(wǎng)絡(luò)的測試樣本，查看訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)模型的表現(xiàn)。

圖5 顯示了訓(xùn)練得到的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型測試值與實(shí)際值相關(guān)性分析，回歸R值表示輸出和目標(biāo)之間的相關(guān)性。R值為1 表示密切關(guān)系，0 表示隨機(jī)關(guān)系。

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型測試值與試驗(yàn)值相關(guān)性分析

從圖5a 可以看出，通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能較好地捕捉到符合實(shí)際測量值的變化趨勢，訓(xùn)練預(yù)測值與試驗(yàn)值有很好的一致性。圖5b 是模型的泛化訓(xùn)練，即通過數(shù)據(jù)的外延，考察訓(xùn)練模型的適應(yīng)性，從圖中可以看出，泛化訓(xùn)練的相關(guān)性達(dá)到0.93，說明模型的精度值得信賴。圖5c 是模型的預(yù)測值與試驗(yàn)值相關(guān)性考察，從圖中可以看出，預(yù)測值與試驗(yàn)值的相關(guān)性達(dá)到0.98，說明預(yù)測值與試驗(yàn)值高度一致。通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能較好地捕捉到符合試驗(yàn)值的變化趨勢，由圖5d 曲線可知，25 組預(yù)測值與試驗(yàn)值同樣具有較好的一致性。因此，在蠕墨鑄鐵的表面粗糙度預(yù)測上，遺傳算法能得到更好的預(yù)測效果。從圖5c 預(yù)測曲線可以直觀看出，預(yù)測值與試驗(yàn)值的相關(guān)性R達(dá)到97.98%。這25 組正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)在試驗(yàn)和計(jì)算中由于每個因素都包含一定的梯度，這使得精度很差，影響了試驗(yàn)結(jié)果。為了縮小試驗(yàn)數(shù)據(jù)的范圍，更接近全局最優(yōu)解，在BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)優(yōu)化中需要進(jìn)行細(xì)化分析。細(xì)化分析的方法基于各種因素的影響程度。對于影響因素較大的，選擇細(xì)化分析，對于影響因素較小的，選擇最佳水平。在上述實(shí)驗(yàn)中，影響切屑厚度和表面粗糙度的兩個主要因素是切削速度和進(jìn)給量。所以確定背吃刀量為0.08～0.1 mm 范圍內(nèi)變化，只考慮其余兩個重要因素。以切削速度和進(jìn)給量2 個因素為自變量，以切屑厚度和表面粗糙度為因變量。根據(jù)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測值繪制三維曲面。三維曲面模型能夠?qū)崿F(xiàn)對蠕墨鑄鐵銑削加工的表面粗糙度的精確預(yù)測，可以預(yù)先判斷加工零件的表面粗糙度值是否符合實(shí)際生產(chǎn)的要求，同時也可以得到正確的加工參數(shù)與表面粗糙度之間的關(guān)系。在實(shí)際加工過程中，可通過預(yù)測的表面粗糙度值及與加工參數(shù)的相關(guān)關(guān)系，逆向追溯加工參數(shù)，進(jìn)行加工參數(shù)的優(yōu)化，改進(jìn)零件的表面粗糙度，保持加工過程質(zhì)量的穩(wěn)定。

當(dāng)背吃刀量在0.08～0.10 mm 范圍內(nèi)變化時，進(jìn)給速度和切削速度對表面粗糙度的影響如圖6 所示。從圖6 可以看出，切削速度與進(jìn)給速度對表面粗糙度有較大的影響，切削速度越大，表面粗糙度越小，隨著進(jìn)給速度的增大，表面粗糙度波動較大。當(dāng)切削速度大于2.8 m/s 時，且進(jìn)給速度選取600/620/640/660 mm/min 時，得到的表面粗糙度值Ra在1.0～2.0 μm 之間，此時工藝選擇窗口較寬。當(dāng)切削速度大于2.8 m/s 時，且進(jìn)給速度大于700 mm/min 時，也可得到1.0～2.0 μm 之間的表面粗糙度值Ra，但此時的工藝選擇窗口較窄。從加工參數(shù)與表面粗糙度的相關(guān)關(guān)系分析可知，選取較高的切削速度與較低的進(jìn)給速度以及合適范圍內(nèi)的切削深度，可以在蠕墨鑄鐵的銑削加工中獲得良好的表面粗糙度，但是金屬去除效率太低。

圖6 切削速度和進(jìn)給量對表面粗糙度的影響

圖7 給出切削速度和進(jìn)給量對切屑厚度的影響，從圖中可以看出在低的切削速度和低的進(jìn)給量，以及高切削速度和高進(jìn)給量時，獲得的切屑厚度較厚。在底面對角線上，即隨著切削速度與進(jìn)給量的比值減小時，能獲得穩(wěn)定的切屑厚度。圖8給出切屑厚度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，表明62%以上切屑的厚度在0.09～0.15 mm 之間。綜合圖6～8 的加工參數(shù)的組合對粗糙度值、切削厚度穩(wěn)定性、切屑厚度分布的影響結(jié)果可知，獲得合適的表面粗糙度以及穩(wěn)定的切屑厚度時，優(yōu)選的加工參數(shù)選擇范圍是切削速度大于2.8 m/s、進(jìn)給量大于720 mm/min、背吃刀量為0.1 mm。

圖7 切削速度和進(jìn)給量對切屑厚度的影響

圖8 切屑厚度統(tǒng)計(jì)

3.3 優(yōu)選銑削工藝參數(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證

在優(yōu)選參數(shù)范圍內(nèi)，隨機(jī)選擇銑削參數(shù)如表5 進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。圖9 給出試驗(yàn)值與模擬值的相關(guān)性，由圖可見模擬值和試驗(yàn)值之間有很好的一致性。

圖9 預(yù)測值與試驗(yàn)值的相關(guān)性

表5 試驗(yàn)驗(yàn)證工藝參數(shù)

圖10 為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證參數(shù)下的銑削工件表面形貌。在優(yōu)化的銑削速度與進(jìn)給速度下，銑削工件表面粗糙度變化不明顯。當(dāng)銑削速度為2.8～3.1 m/s時，進(jìn)給速度為760～780 mm/min，表面粗糙度在試驗(yàn)條件下達(dá)到了最小穩(wěn)定值。由圖可見銑削工件表面石墨呈現(xiàn)完整的蠕蟲狀和球狀，石墨邊緣清晰可見。當(dāng)切削速度超過3.2 m/s 時，蠕蟲狀和球狀石墨不在完整，呈現(xiàn)石墨拖尾現(xiàn)象，石墨邊緣不清晰。

圖10 銑削樣品的表面形貌

圖11 給出切屑的SEM照片，觀察發(fā)現(xiàn)在優(yōu)化的銑削加工參數(shù)下所有切屑均呈現(xiàn)“C”形彎曲和螺旋狀，這是因?yàn)榍行急趁娴淖冃温市∮谡娴淖冃温?。切屑背面較為粗糙，相對滑動引起明顯的切屑折疊，并伴有縱向拉伸現(xiàn)象，如圖11a～圖11b。圖11c～圖11e為切削速度3.1～3.2 m/s、進(jìn)給速度750～760 mm/min時的切屑正面形貌，由圖可見切屑正面某些區(qū)域存在微型孔洞，這是因?yàn)樵诩庸み^程中，特別是銑削速度較高時，已加工表面非常光滑，使鑄鐵中的蠕蟲狀石墨從金屬基體表面脫落；而在另一些區(qū)域由于剪切力和擠壓力的相互作用出現(xiàn)了裂紋，切屑沿著石墨裂紋裂開并沿著金屬基體產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而產(chǎn)生塑性硬化效果。低銑削速度下的切屑褶皺顯著，刀具振動較大；而高銑削速度下的切屑表面較光滑，加工工件的表面粗糙度也較理想。在高速切削中，切屑顏色與工件相同，說明刀具的高速旋轉(zhuǎn)有效帶走了銑削產(chǎn)生的熱量，因此熱變形很小，銑削力也較為平穩(wěn)，有效保證了尺寸精度。

圖11 驗(yàn)證參數(shù)的切屑形貌

4 結(jié)論

本研究測量了各種銑削工藝參數(shù)組合下蠕墨鑄鐵(Ru-450)的銑削表面粗糙度和切屑厚度，采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化了銑削工藝參數(shù)范圍，并對試驗(yàn)后的表面形貌和切屑形貌進(jìn)行了分析。主要結(jié)果總結(jié)如下。

a.銑削加工蠕墨鑄鐵的最佳工藝參數(shù)為銑削速度為2.8～3.1 m/s，進(jìn)給速度為760～780 mm/min，背吃刀量0.1 mm。

b.在優(yōu)化銑削加工工藝參數(shù)下，銑削工件表面石墨呈現(xiàn)完整的蠕蟲狀和球狀，石墨邊緣清晰可見；銑削蠕墨鑄鐵的表面粗糙度值Ra 穩(wěn)定在1.0～2.0 μm 之間；切屑厚度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，切屑厚度在0.08～0.12 mm 之間切屑占62%。

c.銑削蠕墨鑄鐵時切屑主要呈螺旋形和C 形，切削過程中裂紋向石墨方向擴(kuò)展，顏色接近加工材料初始色且隨銑削參數(shù)變化不大；提高切削速度和降低進(jìn)給速度可有效改善切屑背面褶皺及層積現(xiàn)象。