復(fù)合涂層刀具加工RuT500的銑削力研究及參數(shù)優(yōu)化

李偉柱，侯彥辰，冀全鑫，賴德斌，李勝柱，林勇傳

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

0 前言

蠕墨鑄鐵(CGI)因具備優(yōu)良的鑄造性能和導(dǎo)熱性，在汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用[1-3]。然而盡管蠕墨鑄鐵具有優(yōu)良的綜合性能[4]，但和其他鑄鐵材料對比其銑削加工性能較差[5]，特別是高牌號材料，在加工過程中形成的過大銑削力明顯影響加工精度、刀具壽命等，阻礙了蠕墨鑄鐵大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用[6-7]，因此有必要對高強度蠕墨鑄鐵的銑削力展開研究。

蘇瑞[8]利用涂層硬質(zhì)合金刀具銑削蠕墨鑄鐵時發(fā)現(xiàn)，低速銑削時銑削力隨著銑削速度的增大會減小，高速銑削時銑削速度對銑削力的影響不大。牛佳慧[9]研究發(fā)現(xiàn)，涂層硬質(zhì)合金刀具和氮化硅陶瓷刀具銑削蠕墨鑄鐵時，銑削力隨著進給量的增大而增大，隨著銑削速度的增大表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。張玉玲[10]對Sandvik H13A無涂層刀具與GC1020涂層刀具進行試驗分析，得出無論是有涂層或者非涂層，隨著背吃刀量的增加，銑削力均呈線性增加的趨勢。于法冒[11]進行了PCBN刀具銑削蠕墨鑄鐵的試驗，發(fā)現(xiàn)銑削力隨進給量變化明顯：在小進給量條件下，銑削力隨銑削速度的增加而增大，在大進給量條件下則變化不明顯。

綜上所述，在蠕墨鑄鐵加工過程中，刀具涂層及銑削參數(shù)對切削力影響顯著。因此，本文作者基于單因素實驗法，研究了TiAlN/AlCrN復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具和TiCN/Al2O3復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具銑削高牌號RuT500時銑削力的變化規(guī)律，分析了銑削參數(shù)和涂層對RuT500銑削力的作用，并利用響應(yīng)曲面法進一步討論了銑削參數(shù)交互作用對銑削力的影響。最后本文作者還進行了銑削參數(shù)優(yōu)化，以獲取加工過程的合理銑削力。

1 試驗流程

1.1 工件材料

試驗選用的工件材料由廣西玉柴機器配件制造有限公司制備，其化學(xué)成分如表1所示。試樣在試驗前加工為長80 mm、寬75 mm、高50 mm的長方體試塊。

表1 蠕墨鑄鐵RuT500主要化學(xué)元素成分

1.2 試驗設(shè)備

銑削試驗選用的機床是大連機床集團公司生產(chǎn)的VDL-600A立式加工中心，試驗采用干式銑削，如圖1所示。

圖1 銑削試驗設(shè)備

表2 試驗刀具

表3 刀具參數(shù)

1.3 試驗設(shè)計

此次試驗測定的銑削力是作用在工件上的力，它可以分化為3個互相垂直的分力：切向力Fx、進給力Fy、徑向力Fz。銑削力F表示為

(1)

通過設(shè)計單因素試驗比較不同參數(shù)下的銑削力F變化，來表示蠕墨鑄鐵RuT500的銑削性能。試驗設(shè)計方案如表4所示。此次銑削力試驗主要從銑削參數(shù)、刀具涂層等方面分析蠕墨鑄鐵RuT500的銑削力。

表4 試驗設(shè)計方案

2 試驗分析

2.1 涂層對銑削力的影響

根據(jù)試驗結(jié)果，繪制各涂層刀具-銑削力的變化趨勢曲線，如圖2所示。

圖2 各涂層刀具與銑削力之間變化趨勢

由圖2可知：從涂層沉積工藝分析來看，采用物理氣相沉積的TiAlN/AlCrN復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具銑削力整體上小于化學(xué)氣相沉積的TiCN/Al2O3復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具。因此在加工過程中，TiAlN/AlCrN復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)生的銑削熱比TiCN/Al2O3復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)生的銑削熱少。這是因為TiAlN/AlCrN復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具沉積溫度低，工藝過程對刀具材料幾乎無影響，并不會造成基體的退火軟化；同時，TiAlN/AlCrN復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具相較于TiCN/Al2O3復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具來說摩擦因數(shù)低，耐磨性好，更有利于切屑的排除，增加抵抗磨損的能力；此外，化學(xué)氣相沉積工藝相較于物理氣相沉積工藝，涂層具有更高的厚度。涂層較薄的TiAlN/AlCrN復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具切削刃的幾何形狀改變小得多，能夠盡可能地保留切削刃的鋒利程度，從而減小了銑削力。

PVD工藝生產(chǎn)的TiAlN/AlCrN復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具雖然沒有將Al2O3直接沉積到刀具涂層中，但TiAlN是通過將Al原子植入TiN的晶體內(nèi)，最終構(gòu)成無間隙、完整的晶體組合。在加工過程中，刀具表面會產(chǎn)生一層非晶態(tài)的致密Al2O3薄膜，當Al2O3層遭受磨損時，存在于TiAlN中的Al會再次被氧化形成新的Al2O3層，保障了刀具在高溫、高速環(huán)境下正常工作。

2.2 銑削參數(shù)對銑削力的影響

2.2.1 銑削速度vc對銑削力的影響

繪制銑削速度-銑削力的變化趨勢(vc-F)曲線，如圖3所示。

2.2.1 aEEG 重度的aEEG異常例數(shù)為10例，其預(yù)測神經(jīng)系統(tǒng)不良預(yù)后的靈敏度為61.5%，特異度為96.3%，陽性預(yù)測值為80%，陰性預(yù)測值為91.2%。Logistic回歸分析顯示，aEEG檢查結(jié)果重度異常者出現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)不良預(yù)后風險較高(OR=35.322，95%CI為3.002～415.538，P<0.05)。

圖3 銑削速度與銑削力之間變化趨勢

由圖3可知：銑削力跟隨銑削速度的變化不大。主要是由于單位時間內(nèi)隨著銑削速度的增大金屬去除率增大，單位時間內(nèi)刀具受到的應(yīng)力也隨著增大，刀具磨損程度增大，導(dǎo)致銑削力增大；同時，單位體積金屬與刀具接觸時間減少，金屬的應(yīng)變硬化作用導(dǎo)致銑削力增加。但隨著銑削速度的增大，前刀面上摩擦因數(shù)減小，剪切角增大，變形系數(shù)減小，導(dǎo)致銑削力減小；同時，當銑削速度增大，會產(chǎn)生大量的銑削熱使得材料“軟化”。熱軟化效應(yīng)會致使材料強度和硬度降低，不僅能夠顯著減小刀具、刀尖對工件的反作用力，還可以減小刀具切入時的剪切力與摩擦力[12-13]。

2.2.2 背吃刀量ap對銑削力的影響

繪制背吃刀量-銑削力的變化趨勢(ap-F)曲線，如圖4所示。

圖4 背吃刀量與銑削力之間變化趨勢

由圖4可知：隨著背吃刀量的增大銑削力會增大。首先當背吃刀量增大時，銑削寬度增大，單位去除量加大，切屑、切削刃與工件之間的接觸面積增大，銑削力也會增加；再者，更大的背吃刀量容易導(dǎo)致刀具的磨損和刀尖鈍化，從而導(dǎo)致銑削加工時，鈍化和磨損的刀具對工件的擠壓作用增強，使得銑削力增大。

2.2.3 進給量f對銑削力的影響

繪制進給量-銑削力的變化趨勢(f-F)曲線，如圖5所示。

圖5 進給量與銑削力之間變化趨勢

由圖5可知，隨著進給量的增大銑削力會增大，但整體變化幅度不如背吃刀量顯著。當進給量在0.1～0.15 mm之間時，銑削力會隨著增大。因為一方面當進給量增大時，銑削面積會隨著增大，使變形抗力增大，因此摩擦力和變形力也隨著增大，單位時間內(nèi)金屬去除率增大，刀具切削刃的磨損和崩壞加大，從而銑削力也會增加；另一方面，進給量的增加會增加散熱，弱化金屬的熱軟化效應(yīng)。當進給量在0.15～0.25 mm之間時，銑削力增加趨勢變緩。這主要是因為切削層公稱厚度與進給量成正比關(guān)系，當進給量越大，切削層公稱厚度也就越大，切屑的變形隨之較小，從而銑削力的增長趨勢隨之變緩。

由圖3—5可知：高強度蠕墨鑄鐵RuT500的銑削力隨著背吃刀量的變化會產(chǎn)生較大的變化，隨著銑削速度的變化產(chǎn)生的變化最小，表明背吃刀量對RuT500的銑削力影響最顯著，進給量f次之，銑削速度對其影響最小。

2.3 交互作用分析對銑削力的影響

在銑削加工過程中，除了單一因素外，因素之間的交互作用對銑削力也有很大的影響[14-15]。通過銑削參數(shù)與銑削力的二階映射數(shù)學(xué)模型生成銑削力響應(yīng)曲面，進一步分析銑削參數(shù)交互作用對銑削力的影響規(guī)律，為后續(xù)的銑削加工提供理論依據(jù)。

二次響應(yīng)曲面法模型表達式為

ε(i,j=1,2,3,…,k)

(2)

采用TiCN/Al2O3復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具表現(xiàn)更好，二階擬合回歸方程為

該預(yù)測模型的R2為0.944，方程的擬合性良好。對映射模型進行方差分析可知，定義vc和f交互作用為PAB，vc和ap交互作用為PAC，f和ap交互作用為PBC，則PAB

圖6展示了銑削參數(shù)交互作用對銑削力影響的響應(yīng)曲面和等高線圖。響應(yīng)曲面坡度越大，表明銑削力變化越快。等高線圖的形狀反映因素間互相作用的大小，呈橢圓形表示因素間的交互作用顯著[16]。從圖6(a)可以看出：當ap=0.5 mm時，隨著vc和f的減小，曲面坡度較大，這表明RuT500的銑削力F降低速度變化較快。盡管圖6(b)和圖6(c)的曲面坡度相較于圖6(a)變化較緩，但ap分別與vc和f的交互作用仍對RuT500的銑削力F產(chǎn)生較大影響。此外，對3組因素間交互作用的等高線圖進行分析，發(fā)現(xiàn)3組圖形的分布均近似為橢圓形，這表明因素間的交互作用具有一定的顯著性，這與上述的分析一致。

圖6 銑削力F交互響應(yīng)曲面和等高線圖

2.4 銑削參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)銑削參數(shù)和銑削力的二階映射模型可得銑削力響應(yīng)曲面和等高線圖，并以此可分析出以銑削力為約束條件的銑削參數(shù)優(yōu)化方向。當背吃刀量ap=0.5 mm時銑削力F與銑削速度vc和進給量f之間的響應(yīng)曲面和等高線圖如圖6(a)所示?？芍恒娤魉俣葀c的變化對銑削力F的影響較小，而進給量f對銑削力F的影響較大。同時由圖6(a)可知：在相同的銑削力限制條件下，只要進給量f適當下調(diào)，便可以增大銑削速度vc，這對提高表面質(zhì)量等極為有利。因此在優(yōu)化銑削速度時，可通過適當下調(diào)進給量f增加銑削速度vc來獲得較小的銑削力。另外，當銑削速度vc=150 m/min時銑削力F與進給量f和背吃刀量ap之間的響應(yīng)曲面和等高線圖如圖6(c)所示。可知：銑削力F在進給量f和背吃刀量ap的共同作用下其變化極為劇烈。因此降低進給量f和背吃刀量ap能顯著降低銑削力。但是，根據(jù)單位切削率公式：η=KDfap(K是刀具直徑系數(shù)，D是刀具直徑)，根據(jù)圖6(c)，在銑削力F=488 N的等值條件下：當ap=0.72 mm時，f=0.1 mm，單位切削率η1=0.072KD(mm3/min)；當ap=0.4 mm時，f=0.15 mm，單位切削率η2=0.06KD(mm3/min)。由公式：P=(η2-η1)/η1×100%可知，在相同的單位銑削率下，后者的單位銑削率比前者減少了16.6%。因此，銑削參數(shù)優(yōu)化時，取較大的背吃刀量ap、適當?shù)倪M給量f和較大的銑削速度能獲得較低的銑削力F和良好的加工效率。

3 結(jié)論

通過對2種不同涂層的硬質(zhì)合金刀具銑削新型高強度蠕墨鑄鐵RuT500的銑削力進行研究，并采用響應(yīng)曲面建模方法建立了新型高強度蠕墨鑄鐵RuT500的銑削力映射模型。所得的結(jié)論如下所示：

(1)在銑削過程中，相比較于TiAlN/AlCrN復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具，TiCN/Al2O3復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具整體上擁有更大的銑削力，表現(xiàn)更佳。

(2)在試驗參數(shù)范疇，伴隨銑削速度的增加，銑削力表現(xiàn)為先增大后減小的走向；隨著背吃刀量和進給量的增大，銑削力顯著增大。其中，對銑削力的變化影響最大的是背吃刀量，進給量次之，銑削速度影響最小。

(3)采用RSM建模方法建立的蠕墨鑄鐵RuT500的銑削力映射模型為

TiCN/Al2O3復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀具：

蠕墨鑄鐵RuT500的銑削參數(shù)交互作用對銑削力的影響具有一定的顯著性，銑削力響應(yīng)曲面模型可靠。

(4)在相同的銑削力約束條件下取較大的背吃刀量ap、適當?shù)倪M給量f和較大的銑削速度vc能獲得較低的銑削力F和良好的加工效率。