Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷刀具干切削RuT450表面質(zhì)量研究*

林勇傳，冀全鑫，賴德斌，周宇峰，韋玨宇

(1.廣西大學(xué)機(jī)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(dòng)機(jī)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(duì)各牌號(hào)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(guó)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(duì)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(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)蠕墨鑄鐵進(jìn)行銑削加工，構(gòu)建了切削用量對(duì)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(zhǎng)，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(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)的后刀面磨損趨勢(shì)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(duì)PCBN刀具車削RuT400時(shí)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(huì)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(shí)，能獲得最小的表面粗糙度。文獻(xiàn)[12]通過(guò)對(duì)蠕墨鑄鐵RuT400的銑削加工建立起DE-SVM模型，可預(yù)測(cè)加工零部件的表面粗糙程度是否滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)蠕墨鑄鐵加工的研究主要在RuT400及以下牌號(hào)，對(duì)高牌號(hào)RuT450的研究則是寥寥無(wú)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(duì)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(yàn)，采用涂層Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷刀具、無(wú)涂層Al2O3-TiC復(fù)合陶瓷刀具對(duì)高牌號(hào)RuT450進(jìn)行車削加工，探究涂層和切削參數(shù)對(duì)工件表面質(zhì)量的影響及機(jī)理，為復(fù)合陶瓷刀具切削RuT450提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)過(guò)程

本次試驗(yàn)選用的工件材料為蠕墨鑄鐵，牌號(hào)為RuT450，材料化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)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(wú)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(shí)驗(yàn)刀具種類及性能參數(shù)

切削試驗(yàn)平臺(tái)為CY-K360n/1000數(shù)控機(jī)床，試驗(yàn)采用干式切削。粗糙度測(cè)量裝置選用日本生產(chǎn)的SJ-310粗糙度測(cè)量?jī)x作為粗糙度測(cè)量裝置。采用某公司生產(chǎn)的MH660數(shù)字式便攜硬度計(jì)對(duì)加工后RuT450的表面硬度進(jìn)行測(cè)量。切削過(guò)程如圖1所示。

圖1 切削加工過(guò)程

選用三因素三水平的正交表進(jìn)行蠕墨鑄鐵的車削實(shí)驗(yàn)。對(duì)加工初期(切削時(shí)間t1約為1～10 s)及末期(t2約為50～60 s)加工段內(nèi)隨機(jī)5個(gè)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(cè)，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(yàn)表如表3所示。

表3 L9(34)正交試驗(yàn)表

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層對(duì)表面粗糙度及硬度的影響

正交實(shí)驗(yàn)方案下涂層/無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(shuō)明涂層陶瓷刀具切削的一致性較好。相比涂層刀具，無(wú)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(wú)涂層陶瓷刀具加工后的表面硬度值差異性較小，說(shuō)明兩種刀具所產(chǎn)生的切削溫度對(duì)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(hào)為i(本實(shí)驗(yàn)i=1,2,3)時(shí)，所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和。因素對(duì)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(duì)指標(biāo)量的影響程度越小[13]。

從圖3中可知切削參數(shù)對(duì)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(shí)能獲得最為良好的表面粗糙度。同時(shí)我們從圖4得出，切削參數(shù)對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值。將因素水平作為橫坐標(biāo)，以它對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)平均值ki為縱坐標(biāo)做出趨勢(shì)圖，可以很容易看出指標(biāo)隨因素?cái)?shù)值增大時(shí)的變化趨勢(shì)[13]。

2.3.1 切削速度對(duì)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(shì)(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(shì)

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?yàn)橐韵氯齻€(gè)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(shí)檢測(cè)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(qiáng)度、延伸率急劇減小，塑性變形能力得到極大加強(qiáng)；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(qiáng)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(duì)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(shì)(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(wàn)=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(duì)機(jī)床穩(wěn)定性提出了更高的要求，加工過(guò)程中的不規(guī)則振動(dòng)使表面粗糙度增加。但小進(jìn)給速度(f=0.05 mm/r)卻無(wú)法明顯減少表面粗糙度，一方面是由于部分切削刃對(duì)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(jì)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(guò)計(jì)算可知，f=0.05 mm/r時(shí)的實(shí)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(shí)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(shí)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(shì)

2.3.3 背吃刀量對(duì)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(shì)(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(shì)

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(shí)，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(shí)，熱軟化作用使材料塑性增強(qiáng)，表面粗糙度略有下降。而較大的背吃刀量(ap≥1 mm)時(shí)，由于加工過(guò)程中切削振動(dòng)、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(guò)正交試驗(yàn)，對(duì)不同切削參數(shù)下涂層/無(wú)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(wú)涂層刀具要小，涂層刀具的切削一致性較好。

(2)對(duì)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(duì)表面粗糙度的影響程度相對(duì)較小。對(duì)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(duì)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(shì)。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(huì)出現(xiàn)明顯的變化。