微織構(gòu)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(xué)機械工程學(xué)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?shù)母哂捕萚1-2]，介于兩者之間的優(yōu)異力學(xué)性能使其在汽車發(fā)動機零件等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[3]。但蠕墨鑄鐵獨特的石墨結(jié)構(gòu)在切削中造成的切削力過大[4]、導(dǎo)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(nèi)外學(xué)者主要對蠕墨鑄鐵的微觀結(jié)構(gòu)，加工機理[6-7]以及刀具和切削參數(shù)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(jié)果表明在常規(guī)切削參數(shù)范圍內(nèi)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(shù)，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(xiàn)了切削力模型的高精度預(yù)測。

隨著金屬切削理論的不斷發(fā)展，近年來，表面織構(gòu)作為一種刀具改進技術(shù)，已被諸多研究證明在刀具表面植入微織構(gòu)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(gòu)并與無織構(gòu)刀具對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)織構(gòu)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(gòu)都有效降低了切削力并指出織構(gòu)的鋪設(shè)方向會影響切屑和織構(gòu)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(gòu)，發(fā)現(xiàn)在不同的切削參數(shù)下，織構(gòu)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(gòu)幾何參數(shù)對切削性能的影響，其中織構(gòu)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(guān)微織構(gòu)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(gòu)理論在銑刀前刀面加工微織構(gòu)對高牌號RuT500銑削測試，研究了各微織構(gòu)刀具的銑削力、刀具磨損、加工表面質(zhì)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(gòu)刀具銑削RuT500提供理論參考。

1 試驗設(shè)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(xué)元素成分組成和力學(xué)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(jīng)濟成本，選用某公司生產(chǎn)的無涂層硬質(zhì)合金數(shù)控銑刀片，型號APKT11T308-ALH，刀桿型號EMP01-016-G16-AP11-02。

表1 RuT500主要化學(xué)元素成分組成 (%)

表2 RuT500力學(xué)性能

1.2 微織構(gòu)銑刀加工

針對蠕墨鑄鐵的性質(zhì)和加工特點，在刀具前刀面上設(shè)計了與主切削刃垂直、平行的溝槽以及微坑3種織構(gòu)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(gòu)；由于加工過程中切削刃處的法向應(yīng)力較大，為了防止微織構(gòu)距離切削刃過近而導(dǎo)致織構(gòu)和切屑發(fā)生衍生切削現(xiàn)象[15]，將微織構(gòu)置于距離切削刃100 μm的位置；根據(jù)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(shè)為100 μm，間距100 μm。

使用光纖激光打標機(RFL-P20Q)制備微織構(gòu)刀具，激光器波長1064 nm，經(jīng)過多次試驗，將打標機參數(shù)設(shè)定為激光功率20 W、頻率20 kHz、掃描速度100 mm/s、打標次數(shù)20獲得了較好的織構(gòu)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(gòu)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(gòu)樣貌

1.3 試驗設(shè)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?shù)讲杉到y(tǒng)和分析軟件進行記錄存儲；待每個刀具銑削結(jié)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(chǎn)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(shù)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(shù)據(jù)，取平均值對比分析。

表3 單因素實驗方案

2 結(jié)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(zhì)量等物理參數(shù)。圖3顯示了在不同的主軸轉(zhuǎn)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(gòu)刀具和T-N無織構(gòu)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(xiàn)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(gòu)刀具，F(xiàn)x、Fy、Fz最高分別降低了約17.72%、43.53%和26.76%，這說明微織構(gòu)的植入減小了刀-屑的接觸面積，降低了摩擦力。

微織構(gòu)刀具T-Lg和T-Cp相較于T-N無織構(gòu)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，F(xiàn)z、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，F(xiàn)x、Fy、Fz對比T-N無織構(gòu)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(xiàn)象可以解釋為在這些切削速度范圍內(nèi)，垂直溝槽和微坑織構(gòu)在加工中與切屑之間的相互作用增大了切削力，雖然織構(gòu)減少了刀-屑的接觸面積，但切屑在流動中受到應(yīng)力擠壓，溝槽邊緣，微坑邊緣產(chǎn)生阻力，從而增加了切削抗力。切削力的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在一定的切削速度范圍內(nèi)，織構(gòu)刀具能夠有效提高切削性能；不同類型織構(gòu)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(gòu)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(xiàn)，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(gòu)刀具和無織構(gòu)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(chǎn)生的壓力增大并集中導(dǎo)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(gòu)刀具(圖4a)與T-N無織構(gòu)刀具(圖4d)前刀面磨損情況類似，磨損區(qū)域出現(xiàn)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(gòu)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(chǎn)生，磨損面積更小，說明T-Tg織構(gòu)刀具前刀面與切屑的摩擦狀態(tài)較好。而T-Cp織構(gòu)刀具(圖4c)加工時發(fā)生了崩刃的異?，F(xiàn)象，可能是在低切削速度下，切削的振動以及織構(gòu)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(chǎn)生的劃痕。其中T-Cp織構(gòu)刀具前刀面(圖5c)磨損程度相對較小，T-Lg和T-Tg織構(gòu)刀具前刀面磨損程度與T-N無織構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(zhuǎn)速下各刀具已加工表面粗糙度

對比T-N無織構(gòu)刀具，T-Lg織構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)刀具和無織構(gòu)刀具產(chǎn)生的切屑多為螺旋型的管狀結(jié)構(gòu)，這種形狀有利于加工中切屑的排出。其中T-Lg和T-Cp織構(gòu)刀具(圖8a和圖8c)產(chǎn)生的切屑卷曲程度要大于T-N (圖8d)無織構(gòu)刀具，說明織構(gòu)促進了切屑的卷曲，有利于減少粘結(jié)現(xiàn)象；T-Tg織構(gòu)刀具(圖8b)相較于無織構(gòu)刀具T-N，切屑的變形量更小，說明前刀面織構(gòu)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(chǎn)生的阻礙。切削速度250 m/min時，如圖8所示，4種刀具產(chǎn)生的切屑卷曲程度均大幅降低，切屑整體趨向于片狀結(jié)構(gòu)；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(gòu)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(chǎn)生的切屑背面均存在一定的層積現(xiàn)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(gòu)刀具的切屑側(cè)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(gòu)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(jié)論

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

(1)3種微織構(gòu)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(gòu)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(zhì)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(gòu)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(gòu)中，以平行于主切削刃的溝槽微織構(gòu)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(gòu)在較低切削速度時導(dǎo)致了切削力和表面粗糙度的增大；在制備微織構(gòu)時應(yīng)結(jié)合工件材料特點和切屑流動，合理選擇織構(gòu)方向，減小切屑與織構(gòu)邊緣的相對角度。

(4)制備微織構(gòu)刀具時，應(yīng)考慮微織構(gòu)對于刀具表面強度的影響，避免刀具加工時發(fā)生崩刃現(xiàn)象。