銑削等溫淬火球墨鑄鐵的切削力及刀具磨損研究

李寶棟，易湘斌，吳國(guó)明

（1.蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅省高校綠色切削加工技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050；2.四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系，四川遂寧629000）

銑削等溫淬火球墨鑄鐵的切削力及刀具磨損研究

李寶棟1，易湘斌1，吳國(guó)明2

（1.蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅省高校綠色切削加工技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050；2.四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系，四川遂寧629000）

對(duì)PCBN刀具在干切削狀態(tài)下銑削ADI的切削力和刀具磨損進(jìn)行了試驗(yàn)研究。分析了切削速度分別為40、80、120、160、200m/m in條件下的切削力和不同行程下刀具后刀面磨損量的變化規(guī)律。結(jié)果表明PCBN切削ADI材料的最佳切削速度在80m/m in~160m/m in之間。

切削力；刀具磨損；等溫淬火球墨鑄鐵

等溫淬火球墨鑄鐵（Austempered Ductile Iron，ADI）是一種高強(qiáng)度、高韌性的鑄造合金，其強(qiáng)度不僅遠(yuǎn)超過(guò)普通球墨鑄鐵，也超過(guò)調(diào)質(zhì)鋼和滲碳鋼。與加工球墨鑄鐵相比，加工ADI的刀具的壽命要降低40%~50%，這極大的影響了ADI材料在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[1，2]。這種加工難問(wèn)題在我國(guó)更為嚴(yán)重，已嚴(yán)重制約了我國(guó)ADI材料進(jìn)入擴(kuò)大應(yīng)用工業(yè)化生產(chǎn)階段的步伐[3]。

ADI材料的難加工主要?dú)w結(jié)于以下特點(diǎn)：和鐵素體相比，奧氏體更容易產(chǎn)生加工硬化[4]。ADI低的熱傳導(dǎo)性導(dǎo)致了切削區(qū)溫度的升高[4-5]；ADI的屈服強(qiáng)度大于大多數(shù)鋼，而且楊氏模量要小20%左右，使得切削過(guò)程中容易發(fā)生振動(dòng)，從而會(huì)影響到刀具的磨損、表面質(zhì)量和零件的尺寸偏差[6]。這些特點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致使用硬質(zhì)合金刀具時(shí)容易產(chǎn)生積削瘤，使用陶瓷刀具容易崩刃，使用高速鋼刀具時(shí)刀具硬度會(huì)突然下降。高的加工硬化系數(shù)和低的熱傳導(dǎo)率，使得加工過(guò)程中有比較高的切削力和切削溫度，刀具壽命減少，使得ADI為一種典型的難加工材料。

本文對(duì)ADI進(jìn)行銑削試驗(yàn)，通過(guò)分析切削速度分別為40、80、120、160、200 m/min條件下的切削力和不同行程下刀具后刀面磨損量的變化規(guī)律，研究ADI的切削加工性能，豐富ADI的切削理論，為ADI的加工工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

工件材料由牌號(hào)為QT500-7的球墨鑄鐵試樣進(jìn)行等溫淬火處理，其力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度1 050 MPa，屈服強(qiáng)度700 MPa，無(wú)缺口沖擊功60 J，伸長(zhǎng)率7%，硬度325 HBW.

刀具為直徑20mm的2齒方肩立銑刀，刀桿型號(hào)APMT 1135 PDTR LT30，懸伸量40mm，順銑。刀具CBN含量為50%，前角6°，后角7°，刃傾角6°，刀尖圓弧半徑0.5 mm，刃口半徑0.02 mm.

1.2 試驗(yàn)方案

切削力試驗(yàn)：切削速度為40、80、120、160、200 m/min，進(jìn)給量為0.1mm/r，切削深度為0.1mm.

刀具磨損試驗(yàn)：切削速度為40、120、200 m/min，進(jìn)給量為0.1 mm/r，切削深度為0.1 mm，切削行程為500、1 000、1 500、2 000、2 500 m.

采用XKA714數(shù)控銑床進(jìn)行銑削試驗(yàn)，由Kistler 9255C測(cè)力儀測(cè)量切削力，由Smart zoom 5超景深顯微鏡測(cè)量后刀面磨損寬度并觀察刀具磨損形貌。圖1為試驗(yàn)場(chǎng)景。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)景

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 切削力

在不同切削速度下，進(jìn)行PCBN刀具銑削ADI的試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中采用測(cè)力儀監(jiān)測(cè)并記錄穩(wěn)態(tài)切削段的橫向切削力Fy、進(jìn)給力Fx和軸向力Fz，分別對(duì)穩(wěn)態(tài)切削段的各分力Fx、Fy、Fz取平均值，得到切削速度與切削力的關(guān)系曲線，如圖2所示。從圖中可以看出，F(xiàn)y最大，F(xiàn)x次之，F(xiàn)z最小。Fy和Fx的變化規(guī)律相似，在低速段，隨切削速度的增大切削力減小，而且切削力變化比較緩慢，當(dāng)切削速度增大到某一臨界值時(shí)，切削力急速上升。而Fz隨切削速度的增大緩慢上升。

圖2 切削速度與切削力的關(guān)系曲線

切削力的這種變化趨勢(shì)，說(shuō)明不同切削速度下的切削機(jī)理產(chǎn)生了差異。低速切削時(shí)切屑為塊狀，振動(dòng)較大，刀尖處存在極不穩(wěn)定且硬度較大的積屑瘤，所以切削力較大。隨著切削速度增大，切削溫度隨之升高，ADI的硬度降低而強(qiáng)度增加，切屑形態(tài)由塊狀崩碎切屑向帶狀切屑轉(zhuǎn)變，切削力逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)速度超過(guò)一定臨界值時(shí)，高溫條件下刀具與工件材料發(fā)生較嚴(yán)重的擴(kuò)散磨損和粘結(jié)磨損，使得刀具-切屑接觸面摩擦系數(shù)增大，使得Fy和Fx急劇增大。

2.2 刀具磨損

采用Smart zoom 5超景深顯微鏡測(cè)量后刀面最大磨損寬度，得出不同切削速度下后刀面磨損曲線，如圖3所示?？梢钥闯鲈诟鞣N切削速度下刀具磨損量隨著切削行程的增大呈線性增長(zhǎng)，這與刀具切削淬硬鋼時(shí)的磨損曲線有所不同[7]。

圖3 切削行程與后刀面磨損寬度的關(guān)系曲線

當(dāng)切削速度較低（40 m/min）時(shí)，刀具的后刀面磨損較大，當(dāng)速度達(dá)到120 m/min時(shí)，后刀面磨損顯著降低，但當(dāng)速度達(dá)到200 m/min時(shí)，后刀面的磨損和速度為40 m/min時(shí)相比變化不大，而且還有磨損加重的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诘退偾邢髋c高速切削ADI材料時(shí)，PCBN刀具都產(chǎn)生了嚴(yán)重的粘結(jié)磨損。低速切削，由于ADI材料中存在塑形和韌性較好的奧氏體組織，導(dǎo)致在切削過(guò)程中容易發(fā)生冷焊，故而粘結(jié)物在刀尖處形成了積屑瘤，而高速切削時(shí)粘結(jié)物主要集中在刀具的后刀面。

3 結(jié)論

（1）在低速段，F(xiàn)y和Fx隨切削速度的增大切削力減小，而且變化緩慢。當(dāng)切削速度增大到某一臨界值時(shí)，切削力急速上升。

（2）當(dāng)切削速度較低時(shí)，刀具的后刀面磨損較大。隨著速度的升高，后刀面磨損顯著降低，但當(dāng)速度達(dá)到一定值后，后刀面的磨損變化不大。

（3）從切削力和刀具磨損來(lái)看，PCBN切削ADI材料的最佳切削速度在80 m/min~160 m/min之間。

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[3]曾藝成，李克銳，吳現(xiàn)龍，等.我國(guó)等溫淬火球墨鑄鐵的最新進(jìn)展[C].第五屆全國(guó)等溫淬火球鐵技術(shù)研討會(huì)，2011：1-8.

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[7]曹永泉，張弘弢，董海，等.PCBN刀具切削淬硬鋼GCr15的磨損實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2006，17（21）：2305-2308.

Study on Cutting Force and ToolWear in Milling Austem pered Ductile Iron

Li Bao-dong1，YIXiang-bin1，WU Guoming2
（1.Key Laboratory of Green Cutting Technology and Application in Gansu Province，Lanzhou Institute of Technology，Lanzhou 730050，China；2.Department of Mechanical Engineering，Sichuan Vocational and Technical College，Suining Sichuan 629000，China）

Drymilling austempered ductile Iron test for cutting force and tool wear with PCBN tool have been done. The change regulation of cutting force at cutting speed 40，80，120，160，200 m/min and tool wear at different distance was analyzed.The results show that the optimum cutting speed of PCBN cutting ADImaterial is between 80 m/min to 160m/min.

cutting force；toolwear；austempered ductile iron

TG521

A

1672-545X（2017）04-0070-03

2017-01-27

甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2014A-122；2014A-123）

李寶棟（1979-），男，甘肅會(huì)寧人，副教授，碩士，研究方向?yàn)楦咝邢鳌?/p>