微織構銑刀干銑削RuT500切削性能研究*

李 俚，方 梟，賴徳斌，林勇傳，冀全鑫，李勝柱

(1.廣西大學機械工程學院，南寧 530004；2.廣西玉柴機器配件制造有限公司，玉林 537005)

0 引言

蠕墨鑄鐵(compacted graphite lron)作為鑄鐵材料，它有著比灰鑄鐵更高的拉伸和疲勞強度，又具備與球墨鑄鐵相當的高硬度[1-2]，介于兩者之間的優(yōu)異力學性能使其在汽車發(fā)動機零件等領域廣泛應用[3]。但蠕墨鑄鐵獨特的石墨結構在切削中造成的切削力過大[4]、導熱性差[5]、刀具壽命低、磨損嚴重等問題對于其加工而言是一個難題。

針對蠕墨鑄鐵可加工性差問題，國內外學者主要對蠕墨鑄鐵的微觀結構，加工機理[6-7]以及刀具和切削參數等方面展開研究。馮義超等[8]分別對蠕墨鑄鐵，灰鑄鐵和球墨鑄鐵進行銑削實驗，結果表明在常規(guī)切削參數范圍內提高切削速度，降低進給量有利于蠕墨鑄鐵加工。艾曉南等[9]通過改變涂層和槽型開發(fā)的新式刀具壽命是原有刀具的3倍。隋建波等[10]探究了切削參數，刀具涂層厚度和刀尖圓弧半徑對RuT400車削加工的影響規(guī)律，實現了切削力模型的高精度預測。

隨著金屬切削理論的不斷發(fā)展，近年來，表面織構作為一種刀具改進技術，已被諸多研究證明在刀具表面植入微織構可以有效提高刀具切削性能，降低刀-屑接觸面積，改善切削加工區(qū)域摩擦狀態(tài)。REDDY等[11]制備了前刀面的溝槽和微坑織構并與無織構刀具對比，結果發(fā)現織構刀具前后刀面的磨損量、工件表面粗糙度顯著降低。VASUMATHY等[12]在前刀面加工的平行和垂直于切屑流的溝槽織構都有效降低了切削力并指出織構的鋪設方向會影響切屑和織構的相對角度，進而影響切削性能。成立等[13]在TiAlN涂層銑刀表面制備了平行于切削刃的溝槽織構，發(fā)現在不同的切削參數下，織構刀具均可降低切削力。陳匯豐等[14]在有限元仿真中分析了織構幾何參數對切削性能的影響，其中織構刃邊角對切削力的影響最大，刃邊角在90°時具有最好的減摩效果。

目前，在蠕墨鑄鐵加工刀具的切削性能研究中多為涂層刀具，陶瓷刀具和其他類型刀具的對比分析，有關微織構刀具銑削高牌號蠕墨鑄鐵等典型難加工材料的研究較少。因此，本文基于表面微織構理論在銑刀前刀面加工微織構對高牌號RuT500銑削測試，研究了各微織構刀具的銑削力、刀具磨損、加工表面質量、切屑形貌在不同切削速度下的變化情況和性能差異，為微織構刀具銑削RuT500提供理論參考。

1 試驗設計

1.1 刀具與工件材料

試驗所用工件為蠕墨鑄鐵RuT500，其主要化學元素成分組成和力學性能如表1和表2所示。為便于測試，工件樣品在試驗前已加工成80 mm×70 mm×50 mm的長方體塊狀。考慮到蠕墨鑄鐵加工的市場需求和經濟成本，選用某公司生產的無涂層硬質合金數控銑刀片，型號APKT11T308-ALH，刀桿型號EMP01-016-G16-AP11-02。

表1 RuT500主要化學元素成分組成 (%)

表2 RuT500力學性能

1.2 微織構銑刀加工

針對蠕墨鑄鐵的性質和加工特點，在刀具前刀面上設計了與主切削刃垂直、平行的溝槽以及微坑3種織構來減少刀-屑的接觸面積。在銑削加工中，主要是刀尖處的前后刀面區(qū)域與工件接觸作業(yè)，選擇在靠近刀具的刀尖區(qū)域制備織構；由于加工過程中切削刃處的法向應力較大，為了防止微織構距離切削刃過近而導致織構和切屑發(fā)生衍生切削現象[15]，將微織構置于距離切削刃100 μm的位置；根據對蠕墨鑄鐵銑削加工中切屑樣貌的觀測，將凹槽的寬度和圓坑的直徑均設為100 μm，間距100 μm。

使用光纖激光打標機(RFL-P20Q)制備微織構刀具，激光器波長1064 nm，經過多次試驗，將打標機參數設定為激光功率20 W、頻率20 kHz、掃描速度100 mm/s、打標次數20獲得了較好的織構樣貌，分別命名為垂直溝槽(T-Lg)、平行溝槽(T-Tg)、微坑(T-Cp)及無織構刀具(T-N)，如圖1所示。

(a) T-Lg (b) T-Tg (c) T-Cp (d) T-N圖1 刀具前刀面激光加工后織構樣貌

1.3 試驗設備和方案

RuT500的銑削加工均在CNC立式加工中心(VDL-600A)上進行，選擇單齒，干切的銑削方式，試驗過程中壓電式三向測力儀(Kistler 9257B)分別測量Fx、Fy、Fz三個正交方向的切削力，再通過YE5850電荷放大器傳輸到采集系統(tǒng)和分析軟件進行記錄存儲；待每個刀具銑削結束后，通過粗糙度測量儀(Mitutoyo-SJ210)記錄工件的表面粗糙度；使用某公司生產的超景深三維顯微鏡(DSX510)觀察刀具前刀面的磨損樣貌和切屑形態(tài)；整個銑削加工過程如圖2所示。

圖2 銑削加工過程

考慮到切削參數中切削速度在加工中對刀具壽命影響較大，在本試驗中，保持進給量f和背吃刀量ap不變，采用切削速度在100 m/min～250 m/min區(qū)間的單因素試驗方案，如表3所示。每種刀具每組試驗進行3次，每次試驗記錄3次數據，取平均值對比分析。

表3 單因素實驗方案

2 結果與討論

2.1 銑削力

在切削加工中，切削力主要來源于工件材料變形的抗力和刀具與切屑，與工件表面之間的摩擦力兩部分。作為切削性能最重要的評價指標之一，它直接影響了切削溫度、刀具磨損，表面質量等物理參數。圖3顯示了在不同的主軸轉速下各刀具進給力Fx、主切削力Fy、切深抗力Fz的變化情況。

圖3 不同切削速度下各刀具的三向切削力

從圖中可以看出T-Tg織構刀具和T-N無織構刀具切削力的大小隨切削速度增大而變化的趨勢基本一致，總體呈現先增大后減小的規(guī)律，主切削力Fy在切削速度150 m/min時最大，隨著切削速度繼續(xù)增加而顯著降低；進給力Fx和切深抗力Fz在切削速度200 m/min時最大，隨著切削速度繼續(xù)增加也顯著降低。這是由于隨著切削速度的增大，溫度上升，材料表面軟化，降低了切削力。其中T-Tg刀具的三向切削力在不同切削速度下均低于T-N無織構刀具，Fx、Fy、Fz最高分別降低了約17.72%、43.53%和26.76%，這說明微織構的植入減小了刀-屑的接觸面積，降低了摩擦力。

微織構刀具T-Lg和T-Cp相較于T-N無織構刀具，切削力隨切削速度的變化趨勢各不相同。圖3中，切削速度為150 m/min時，T-Lg型刀具切削力對比T-N刀具都有所增大，特別是切深抗力Fz，其它切削速度下，切削力降低的幅度較小，Fz、Fy、Fz分別降低了約15.03%、8.62%和14.71%。T-Cp型刀具在切削速度為150 m/min和200 m/min時，Fx、Fy、Fz對比T-N無織構刀具降低了約16.76%、22.74%和59.8%，而在100 m/min和250 m/min切削速度下，切削力都有不同程度的增大，這種現象可以解釋為在這些切削速度范圍內，垂直溝槽和微坑織構在加工中與切屑之間的相互作用增大了切削力，雖然織構減少了刀-屑的接觸面積，但切屑在流動中受到應力擠壓，溝槽邊緣，微坑邊緣產生阻力，從而增加了切削抗力。切削力的數據結果表明，在一定的切削速度范圍內，織構刀具能夠有效提高切削性能；不同類型織構刀具對切削力的影響差異較大。對于RuT500銑削而言，平行于主切削刃的溝槽織構T-Tg更有利于切屑流動，抑制衍生切削的發(fā)生。

2.2 刀具磨損

前刀面磨損是加工過程中刀具與切屑摩擦狀態(tài)的體現，對于研究蠕墨鑄鐵等難加工材料刀具的切削性能十分重要。圖4和圖5反映了微織構刀具和無織構刀具銑削RuT500的前刀面磨損樣貌。可以看出，在不同切削速度下，前刀面磨損主要集中在刀尖區(qū)域，隨著切削速度的上升，前刀面磨損區(qū)域面積減小并伴隨著磨損深度的加大；這是由于切削速度增大降低了前刀面與切屑的接觸時間，從而降低了磨損量，但切屑流動對刀尖的產生的壓力增大并集中導致了磨損深度的增加。

(a) T-Lg (b) T-Tg (c) T-Cp (d) T-N圖4 前刀面樣貌(Vc=100 m/min,f=0.2 mm/r,ap=0.5 mm)

在圖4中，T-Lg織構刀具(圖4a)與T-N無織構刀具(圖4d)前刀面磨損情況類似，磨損區(qū)域出現了不同程度的月牙洼，說明在加工中，這兩種刀具前刀面與切屑的摩擦狀態(tài)不太理想。T-Tg織構刀具(圖4b)前刀面整體樣貌較為光滑，刀尖磨損區(qū)域樣貌較為平穩(wěn)，沒有凹坑產生，磨損面積更小，說明T-Tg織構刀具前刀面與切屑的摩擦狀態(tài)較好。而T-Cp織構刀具(圖4c)加工時發(fā)生了崩刃的異?，F象，可能是在低切削速度下，切削的振動以及織構的植入對于刀具表面強度的影響所造成的。在切削速度250 m/min下(圖5)，4種刀具前刀面磨損主要是刀尖處月牙洼和切屑產生的劃痕。其中T-Cp織構刀具前刀面(圖5c)磨損程度相對較小，T-Lg和T-Tg織構刀具前刀面磨損程度與T-N無織構刀具相差不大。

(a) T-Lg (b) T-Tg (c) T-Cp (d) T-N圖5 前刀面樣貌(Vc=250 m/min,f=0.2 mm/r,ap=0.5 mm)

2.3 微織構對表面粗糙度的影響

圖6顯示了在不同切削速度下表面微織構對RuT500已加工表面粗糙度的影響，從圖中可以看出，各刀具已加工表面粗糙度均隨切削速度的增大而減小，這符合蠕墨鑄鐵等一般脆硬性材料表面粗糙度隨切削速度的變化規(guī)律。在低切削速度下，刀具切削時易發(fā)生振動而造成表面粗糙度較高；隨著切削速度上升，溫度增大，切屑和工件表面塑性變形降低，刀具與工件之間的摩擦減小，降低了表面粗糙度。

圖6 不同轉速下各刀具已加工表面粗糙度

對比T-N無織構刀具，T-Lg織構刀具已加工表面粗糙度在切削速度150 m/min時有所增大，這與T-Lg切削力的情況相同，在其它切削速度下分別降低了約9.37%、4.25%和5.34%；T-Cp型織構刀具在200 m/min和250 m/min切削速度下表面粗糙度降低了約18.87%和10.87%，在其它切削速度表面粗糙度下同樣增大；而T-Tg型織構刀具在4種切削速度下表面粗糙度均有所降低，其中切削速度250 m/min時降低幅度最大，約15.65%。

3 切屑形貌

如圖7所示，切削速度為100 m/min，微織構刀具和無織構刀具產生的切屑多為螺旋型的管狀結構，這種形狀有利于加工中切屑的排出。其中T-Lg和T-Cp織構刀具(圖8a和圖8c)產生的切屑卷曲程度要大于T-N (圖8d)無織構刀具，說明織構促進了切屑的卷曲，有利于減少粘結現象；T-Tg織構刀具(圖8b)相較于無織構刀具T-N，切屑的變形量更小，說明前刀面織構在銑削加工時有一定的斷屑作用，可以降低長切屑在切削中對刀具運動產生的阻礙。切削速度250 m/min時，如圖8所示，4種刀具產生的切屑卷曲程度均大幅降低，切屑整體趨向于片狀結構；切屑的變形量減小，整體表面較為光滑。在該切削速度下，微織構對切屑變形量的影響不明顯。

(a) T-Lg (b) T-Tg (c) T-Cp (d) T-N圖8 切屑形貌(Vc=250 m/min,f=0.2 mm/r,ap=0.5 mm)

圖7中，4種刀具加工產生的切屑背面均存在一定的層積現象，說明RuT500在低切削速度銑削下，切屑的變形時間長，程度大，切屑背面的層積會增大刀具前刀面和切屑的接觸面積，降低切屑的平整性[16]。此外，3種微織構刀具的切屑側面邊緣裂紋相對更加平穩(wěn)，撕裂程度小，所以從切屑的角度來說，織構能夠改善切屑背面的層積對切屑平整性的影響，進而提高加工穩(wěn)定，降低切削振動以及切削力的波動。

4 結論

在不同切削速度下，探究了前刀面3種形式的微織構對刀具銑削RuT500切削性能的影響，得出如下結論：

(1)3種微織構刀具均改善了刀具的切削性能，其中主切削力降低可達43.53%，表面粗糙度降低可達18.87%；微織構刀具銑削RuT500時宜提高切削速度以獲得較低的切削力和更高的加工表面質量。

(2)4種刀具的前刀面磨損主要為刀尖處的月牙洼，微織構在部分切削速度下降低了磨損程度和面積，同時改善切屑形態(tài)；3種微織構中，以平行于主切削刃的溝槽微織構刀具切削性能最優(yōu)。

(3)由于衍生切削的存在，垂直溝槽和微坑織構在較低切削速度時導致了切削力和表面粗糙度的增大；在制備微織構時應結合工件材料特點和切屑流動，合理選擇織構方向，減小切屑與織構邊緣的相對角度。

(4)制備微織構刀具時，應考慮微織構對于刀具表面強度的影響，避免刀具加工時發(fā)生崩刃現象。