蠕墨鑄鐵鉆削實(shí)驗(yàn)研究*

李蘇洋，唐梓敏，丁 峰，王成勇，隋建波※，梁清延

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；2.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西玉林 537005）

0 引言

蠕墨鑄鐵相對(duì)于灰鑄鐵有更好的綜合力學(xué)性能（比如更高的拉伸強(qiáng)度、彈性模量和疲勞強(qiáng)度等），可實(shí)現(xiàn)汽車輕量化、提高燃油經(jīng)濟(jì)性以及降低尾氣等目的，在汽車領(lǐng)域不斷獲得應(yīng)用。但其可加工性差，尤其在高速連續(xù)切削條件下，刀具壽命比灰鑄鐵加工時(shí)降低10～20 倍[1]，大大增加了加工成本，降低了加工效率。如何提高蠕墨鑄鐵的可加工性已成為蠕墨鑄鐵研究的重點(diǎn)課題之一。

前期蠕墨鑄鐵加工研究主要集中于車削與銑削的加工研究，Nayyar等[2]研究了蠕墨鑄鐵微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能對(duì)車削力和刀具壽命的影響，發(fā)現(xiàn)刀具壽命依賴于蠕墨鑄鐵的微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，并且隨著硬度、拉伸強(qiáng)度和珠光體含量的增加而降低。Karabulut等[3]設(shè)計(jì)了陶瓷刀具銑削蠕墨鑄鐵的實(shí)驗(yàn)用于研究主偏角對(duì)于刀具磨損的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)刀具后刀面磨損受主偏角的影響較大，并提出了一個(gè)快速預(yù)估刀具壽命的方法。林海生等[4]利用油膜附水滴復(fù)合噴霧（OoW）作為蠕墨鑄鐵車削過(guò)程中的冷卻介質(zhì)，證實(shí)了其在提高蠕墨鑄鐵可加工性、降低切削力方面具有較為顯著的作用，且不同硬質(zhì)涂層刀具需要與外冷復(fù)合噴霧的噴射位置相互匹配，可有效降低切削力。熊飛翔等[5]揭示了高速銑削蠕墨鑄鐵的切屑形成和工藝參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響，并用建立工藝參數(shù)與銑削力和表面粗糙度之間的擬合方程，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了蠕墨鑄鐵銑削過(guò)程中銑削力與表面粗糙度的預(yù)測(cè)。

針對(duì)蠕墨鑄鐵的鉆削研究較少，只有部分學(xué)者分別研究了鉆頭的橫刃和涂層系統(tǒng)對(duì)刀具磨損的影響以及與灰鑄鐵進(jìn)行了對(duì)比。Oliveira 等[6]采用涂層硬質(zhì)合金鉆頭鉆削蠕墨鑄鐵實(shí)驗(yàn)，分析了鉆頭幾何結(jié)構(gòu)對(duì)刀具磨損和壽命的影響，發(fā)現(xiàn)磨粒磨損是主要的磨損形式，鉆頭幾何形狀對(duì)刀具壽命和孔表明粗糙度有很大影響且與切屑形態(tài)有關(guān)。Mocellin 等[7]選擇了5種蠕墨鑄鐵和1種灰鑄鐵材料進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了刀具磨損和鉆削力來(lái)研究其可加工性，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于灰鑄鐵FC-250，蠕墨鑄鐵CGI-450僅有其83%的可加工性。Paiva等[8]對(duì)比了3種涂層系統(tǒng)（TiAlN/TiN、AlCrN、TiSiN/AlCrN）對(duì)鉆削力、鉆頭后刀面磨損、孔圓度和表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)結(jié)果較分散，不能證明何種涂層更好。Li等[9]則將MOL運(yùn)用到蠕墨鑄鐵的鉆削研究中，并對(duì)比了不同參數(shù)MOL和干切削的加工性能，發(fā)現(xiàn)鉆削過(guò)程中鉆頭主要磨損是黏著磨損。

鉆削力是造成鉆削過(guò)程中鉆頭磨損及失效的直接原因之一，是衡量蠕墨鑄鐵鉆削可加工性的重要因素之一。在金屬的鉆削研究中，Boston 提出鉆削力（包括軸向力和旋轉(zhuǎn)力矩）取決于鉆削工藝參數(shù)[10]。而目前針對(duì)鉆削工藝參數(shù)對(duì)鉆削力的影響以及相對(duì)重要性研究欠缺。本文利用高速鋼麻花鉆頭對(duì)蠕墨鑄鐵進(jìn)行鉆削，采用單因素實(shí)驗(yàn)分析各工藝參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度）對(duì)鉆削力（軸向力、旋轉(zhuǎn)力矩）的影響規(guī)律，采用正交實(shí)驗(yàn)分析各工藝參數(shù)的影響顯著程度，并通過(guò)線性回歸計(jì)算建立了切削力與各工藝參數(shù)的關(guān)系模型，為進(jìn)一步的切削機(jī)理建模以及刀具和工藝參數(shù)優(yōu)選提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文所用工件材料為塊體蠕墨鑄鐵（RuT400，尺寸100 mm×80 mm），主要成分如表1 所示，其硬度為330～370 HV。所用刀具為直徑8 mm的高速鋼麻花鉆頭，鉆頭鉆尖角為118°，螺旋角為25°，無(wú)涂層。鉆削實(shí)驗(yàn)不采用冷卻系統(tǒng)，為干鉆削。

表1 蠕墨鑄鐵（RuT400）的化學(xué)成分

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與條件

DMG MillTap700 加工中心（最大主軸轉(zhuǎn)速18 000 r/min）被用于鉆削實(shí)驗(yàn)。旋轉(zhuǎn)式多分量測(cè)力計(jì)Kistler 9170A 用于測(cè)量鉆削過(guò)程中的軸向力和旋轉(zhuǎn)力矩，軸向力測(cè)量量程為0～20 kN，旋轉(zhuǎn)力矩測(cè)量量程為0～150 N·m。鉆削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及測(cè)力系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 鉆削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及測(cè)力系統(tǒng)

1.3 鉆削實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表2 所示為單因素實(shí)驗(yàn)參數(shù)，用于分析主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)鉆削力的影響。表3所示為二因素二水平正交實(shí)驗(yàn)鉆削實(shí)驗(yàn)參數(shù)，用于分析因素的重要性和交互作用。每組參數(shù)組合實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)2次。

表2 單因素實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表3 正交實(shí)驗(yàn)鉆削實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2 所示為蠕墨鑄鐵在典型工藝參數(shù)組合鉆削下的鉆頭所受軸向力和旋轉(zhuǎn)力矩隨鉆削時(shí)間變化的關(guān)系曲線圖。入鉆過(guò)程中，隨著鉆尖開(kāi)始接觸及鉆入工件，工件變形，產(chǎn)生抵抗鉆頭切入的力，軸向力和旋轉(zhuǎn)力矩開(kāi)始從0增大，隨著鉆削深度的增加，切削量逐漸增加，軸向力和力矩繼續(xù)增大；鉆削深度繼續(xù)增大，鉆頭主切削刃全部進(jìn)入工件參與鉆削后，鉆頭的切削量保持不變，此時(shí)軸向力和旋轉(zhuǎn)力矩處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)；隨著鉆削過(guò)程的完成，切削深度不再增加，鉆頭切削量為0，此時(shí)軸向力和旋轉(zhuǎn)力矩均迅速降至0。研究表明，鉆削過(guò)程中的鉆削力（包含軸向力和旋轉(zhuǎn)力矩）取決于鉆削條件。為進(jìn)一步研究鉆削過(guò)程中鉆削參數(shù)對(duì)軸向力和旋轉(zhuǎn)力矩的影響規(guī)律，本文選取主要鉆削參數(shù)主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度作為研究對(duì)象，選取穩(wěn)定狀態(tài)下的平均軸向力與平均旋轉(zhuǎn)力矩作為衡量指標(biāo)。

圖2 鉆削軸向力Fz和力矩Mz隨時(shí)間變化曲線

2.1 鉆削工藝參數(shù)的影響

主軸轉(zhuǎn)速對(duì)軸向力與旋轉(zhuǎn)力矩影響規(guī)律如圖3 所示。在進(jìn)給速度一定的條件下，軸向力與旋轉(zhuǎn)力矩均隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而小幅降低，變化趨勢(shì)逐漸減小，且在不同的進(jìn)給速度條件下均保持相同的影響規(guī)律。這是由于在保持進(jìn)給速度不變的情況下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，每轉(zhuǎn)的切削量相應(yīng)地減小，因此鉆頭受到材料的抗力載荷也相應(yīng)減小，軸向力與旋轉(zhuǎn)力矩下降。此外，在高速鉆削過(guò)程中，當(dāng)每轉(zhuǎn)切削量小到一定程度時(shí)，軸向力與旋轉(zhuǎn)力矩會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最低值，此時(shí)轉(zhuǎn)速的增加將不是影響軸向力與旋轉(zhuǎn)力矩大小的主要影響因素，即表現(xiàn)出軸向力與旋轉(zhuǎn)力矩對(duì)主軸轉(zhuǎn)速的變化不敏感。

進(jìn)給速度對(duì)軸向力與旋轉(zhuǎn)力矩影響規(guī)律如圖4 所示。在主軸轉(zhuǎn)速一定的條件下，軸向力與旋轉(zhuǎn)力矩均隨著進(jìn)給速度的增加而增加，且在不同主軸轉(zhuǎn)速條件下均保持相同的影響規(guī)律。這是由于在保持主軸轉(zhuǎn)速不變的情況下，進(jìn)給速度的增加相當(dāng)于增大了鉆頭每轉(zhuǎn)的切削量，鉆頭受到材料的抵抗切削力增大，同時(shí)，進(jìn)給速度的增加導(dǎo)致材料的擠壓變形時(shí)間相應(yīng)減小，材料瞬間沖擊速度增加，變形也隨之增大，進(jìn)一步加劇了鉆頭受到材料的抗力載荷，從而軸向力與旋轉(zhuǎn)力矩均增加。對(duì)比圖3與圖4可知，蠕墨鑄鐵的鉆削過(guò)程中，鉆頭進(jìn)給速度對(duì)于軸向力與旋轉(zhuǎn)力矩的影響顯著程度大于主軸轉(zhuǎn)速。

圖3 鉆削軸向力和旋轉(zhuǎn)力矩與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖4 鉆削軸向力和旋轉(zhuǎn)力矩與進(jìn)給轉(zhuǎn)速的關(guān)系

2.2 方差分析

為了進(jìn)一步研究鉆削工藝參數(shù)以及不同鉆削工藝參數(shù)間的交互作用對(duì)于軸向力與旋轉(zhuǎn)力矩的影響規(guī)律，驗(yàn)證關(guān)于蠕墨鑄鐵的鉆削過(guò)程中主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度對(duì)軸向力與旋轉(zhuǎn)力矩影響顯著程度的結(jié)論，設(shè)計(jì)了二因素二水平正交實(shí)驗(yàn)，并考慮主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度的交互關(guān)系，如表2所示。由表3～4可知，主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度及其之間的交互作用對(duì)鉆削軸向力和力矩都是重要的，并且進(jìn)給速度的重要性最高，其次是主軸轉(zhuǎn)速，最后是其交互作用，與前文的結(jié)論一致。分別對(duì)軸向力和旋轉(zhuǎn)力矩進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4～5所示。當(dāng)p＜0.05 時(shí)，其對(duì)應(yīng)的誤差來(lái)源項(xiàng)是重要的；當(dāng)p＜0.01 時(shí)，其對(duì)應(yīng)的誤差來(lái)源項(xiàng)是極其重要的。

表4 軸向力方差分析

表5 力矩方差分析

2.3 線型回歸分析

經(jīng)過(guò)方差分析可知，主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度f(wàn)r及其之間的交互作用n×fr均是蠕墨鑄鐵鉆削過(guò)程中鉆頭受到的軸向力Fz與旋轉(zhuǎn)力矩Mz大小的重要影響因素。故以該3 種因素為影響因子經(jīng)過(guò)線性回歸計(jì)算，得到了軸向力與旋轉(zhuǎn)力矩的線性統(tǒng)計(jì)模型，分別如下式所示。

將線性統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測(cè)的軸向力和旋轉(zhuǎn)力矩大小與實(shí)驗(yàn)中所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的結(jié)果非常吻合，軸向力預(yù)測(cè)平均誤差為3.77%，旋轉(zhuǎn)力矩預(yù)測(cè)平均誤差為2.71%，驗(yàn)證了模型的可靠性，可為蠕墨鑄鐵鉆削過(guò)程中鉆頭所受軸向力與旋轉(zhuǎn)力矩的大小提供計(jì)算依據(jù)。

圖5 鉆削軸向力和力矩的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值分布

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了蠕墨鑄鐵鉆削過(guò)程中不同鉆削工藝參數(shù)對(duì)鉆頭所受鉆削力（軸向力與旋轉(zhuǎn)力矩）的影響規(guī)律及影響顯著程度，并建立了鉆削力的線性統(tǒng)計(jì)模型，主要結(jié)論如下。

（1）軸向力與旋轉(zhuǎn)力矩均隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加而小幅降低，變化趨勢(shì)逐漸減??；軸向力與旋轉(zhuǎn)力矩均隨著進(jìn)給速度的增加而增加。

（2）鉆削工藝參數(shù)對(duì)于切削力的影響顯著程度依次為：進(jìn)給速度＞主軸轉(zhuǎn)速＞進(jìn)給速度與主軸轉(zhuǎn)速的交互作用。

（3）由線性回歸得到的鉆削力線性統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測(cè)的鉆削力與實(shí)驗(yàn)值非常吻合，預(yù)測(cè)誤差較小，可為蠕墨鑄鐵鉆削過(guò)程中鉆頭所受鉆削力的大小提供計(jì)算依據(jù)。