切削參數(shù)對等溫淬火球墨鑄鐵切削力影響的研究

摘要：等溫淬火球墨鑄鐵（ADI）因獨(dú)特的奧鐵體基體組織使其具有更明顯的加工硬化特性，顯著增加了切削加工難度。本文搭建ADI切削力檢測實(shí)驗(yàn)臺，對牌號為QTD 1050-6的ADI材料進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法研究切削用量三因素對切削力影響的規(guī)律，運(yùn)用極差分析法和方差分析法獲得了以最小切削力為最優(yōu)目標(biāo)的切削參數(shù)，并運(yùn)用回歸分析總結(jié)切削力的經(jīng)驗(yàn)公式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：切削牌號為QTD 1050-6的ADI材料時(shí)，切削參數(shù)中的切削深度對切削力影響最大，進(jìn)給量次之，切削速度影響最小，最優(yōu)切削參數(shù)組合為aP=0.5mm，f=0.2mm/r，v=140m/min。

關(guān)鍵詞：等溫淬火球墨鑄鐵（ADI）；切削參數(shù)；切削力

中圖分類號：TG501文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：2095－414X（2024）06－0076－08

0引言

等溫淬火球墨鑄鐵（Austempered Ductile Iron，簡稱ADI）是球墨鑄鐵經(jīng)等溫淬火處理后獲得的具有獨(dú)特奧鐵體微觀組織及優(yōu)異力學(xué)性能的新一代高性能工程材料，廣泛用于制造軍工、汽車、工程機(jī)械等領(lǐng)域的高端裝備關(guān)鍵零部件，是近年來國內(nèi)外一直關(guān)注和不斷深入研究開發(fā)、推廣應(yīng)用的新型材料[1-2]。

ADI因其獨(dú)特的奧鐵體組織使其具有高強(qiáng)度高韌性等優(yōu)點(diǎn)，但在機(jī)械加工過程中，這些性能優(yōu)勢反而容易引起加工硬化，增加刀具磨損等[3-4]。ADI屬于難加工材料，國內(nèi)外有大批學(xué)者關(guān)注ADI的機(jī)械加工性能。有研究指出，ADI材料的機(jī)械加工性較差，加工ADI材料的刀具損耗率要比加工普通球墨鑄鐵高出40%～50%[5]。造成ADI難加工的主要原因在于，奧鐵體在加工受力時(shí)會發(fā)生應(yīng)變硬化和由應(yīng)變引起的相變硬化，使硬度大幅提升，增大加工難度；ADI的熱導(dǎo)率比普通球墨鑄鐵低，易導(dǎo)致切削區(qū)溫度的升高，高溫會造成ADI鑄件膨大，機(jī)械加工時(shí)工件易發(fā)生振動[6-7]等。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對ADI材料的切削實(shí)驗(yàn)中的切削力進(jìn)行了一些研究。李寶棟等人[8]對ADI材料進(jìn)行干式銑削實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)切削速度選擇在80m/min到160m/min之間時(shí)，可以得到較好的切削效果。王持紅等人[9]使用陶瓷刀具對ADI材料進(jìn)行干式切削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，切削深度選擇0.15mm進(jìn)給量選擇0.16mm/r、切削速度選擇163.4m/min時(shí)可以獲得較小的切削力和較優(yōu)的切削效果，研究還發(fā)現(xiàn)切削參數(shù)對于切削力不同方向上的分力的影響不一致，但是首要影響因素均為切削深度。Prashant Parhad等人[10]研究TiAlN涂層的硬質(zhì)合金刀具切削加工不同牌號的ADI工件，結(jié)果表明，牌號不同的ADI材料，其加工性能差異很大，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)得到的最優(yōu)參數(shù)組合為切削速度在150～200m/min，進(jìn)給量為0.1mm/r，切削深度為2mm。Dogancan等人[11]研究了G18NiMoCr3-6+QT1鑄鋼和牌號為QTD 1050-6的ADI材料在干式切削環(huán)境下和最小潤滑環(huán)境下的銑削加工，結(jié)果表明，切削ADI材料時(shí)刀具的磨損較之加工鑄鋼材料時(shí)要嚴(yán)重。

綜上所述，國內(nèi)外專家對ADI材料的切削力進(jìn)行了一系列研究，但研究內(nèi)容不夠全面，仍有進(jìn)一步研究ADI切削力的必要。本文對牌號為QTD 1050-6的高性能ADI材料進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，針對切削用量設(shè)計(jì)三因素三水平正交實(shí)驗(yàn)，并運(yùn)用極差分析法及方差分析法探究切削參數(shù)對ADI切削力的影響，得出實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)切削加工牌號為QTD 1050-6的ADI材料的最優(yōu)切削參數(shù)組合，最后建立牌號為QTD 1050-6的高性能ADI材料的切削力經(jīng)驗(yàn)公式，為車削加工牌號為QTD 1050-6的ADI產(chǎn)品時(shí)切削參數(shù)的選擇提供參考，對于提升ADI材料的切削加工效率和形成高性能ADI制造技術(shù)體系具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

1試樣制備與實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

本切削實(shí)驗(yàn)試樣為牌號為QTD 1050-6的高性能ADI材料，尺寸為直徑60mm，長度150mm，試樣如圖1所示。

試樣的化學(xué)成分檢測結(jié)果如表1所示，力學(xué)性能檢測結(jié)果如表2所示，試樣球化級別為2級，石墨球大小為6～7級，金相組織如圖2所示。切削試樣的化學(xué)成分、金相組織及力學(xué)性能均滿足牌號為QTD 1050-6的ADI標(biāo)準(zhǔn)。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)所制定的切削力檢測系統(tǒng)的示意圖如圖3所示。切削力分解示意圖如圖4所示，切削力分解為沿x方向的進(jìn)給力Fx、沿y方向的背向力Fy和沿z方向的主切削力Fz。本切削力檢測裝置工作原理為將車刀與測力傳感器裝配并一同安置在車床上，當(dāng)車床運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，車刀與工件接觸并進(jìn)行切削，刀具會將受到的壓力傳遞給測力傳感器，傳感器中的三分量力傳感器將分別對應(yīng)x、y、z三個(gè)方向的力，隨即產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，傳遞給電荷放大器經(jīng)過放大處理后，送入信號處理分析儀完成數(shù)據(jù)的采集，然后傳遞給數(shù)據(jù)分析軟件，通過軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，顯示出切削力的實(shí)時(shí)波形圖，最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到通過Origin軟件中對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、求均值等一系列處理后完成切削力的實(shí)時(shí)變化曲線圖的繪制和獲得ADI切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本實(shí)驗(yàn)采用GSK980TDb數(shù)控車床進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，使用Kistler 9257B型測力儀進(jìn)行三向力的測量，選用NI PXIe-8115智能信號處理分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及處理。刀具選用刃長為16mm的K313 WC/Co精細(xì)顆粒硬質(zhì)合金車刀，刀柄采用DTJNR 2525M 16車削方刀柄，車刀與刀柄組合如圖5所示，切削力檢測系統(tǒng)裝置圖如圖6所示。

1.3實(shí)驗(yàn)方案

切削加工是從零件表面切去部分材料，以此達(dá)到零件的尺寸要求。在此過程中，刀具克服工件彈性變形和塑性變形的抗力，稱為切削力。切削加工時(shí)，切削力的大小和方向取決于多種因素，如材料性質(zhì)、刀具形狀、切削參數(shù)和切削環(huán)境等，其中切削參數(shù)對其影響最大。

本文針對切削參數(shù)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，對高性能ADI材料進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)。在切削速度分別為100、120、140m/min，進(jìn)給量分別為0.2、0.35、0.5mm/r和切削深度分別為0.5、1.0、1.5mm條件下分析切削力的變化，探討不同切削參數(shù)對車削ADI材料的切削力變化規(guī)律，對于提升切削加工ADI材料的生產(chǎn)效率和改善工件表面質(zhì)量有實(shí)際意義。因素水平表如表3所示。選擇L9（33）正交表確定的設(shè)計(jì)方案如表4所示。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了探討不同切削參數(shù)對ADI材料機(jī)械加工時(shí)切削力的影響，將表4的各組正交設(shè)計(jì)依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過Origin軟件對獲得的ADI切削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，去除切削頭段和尾段數(shù)據(jù)，對穩(wěn)定切削段數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗并求均值，記做切削力在三個(gè)方向上的分量，分別得到9組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表5所示。

圖7（見下頁）所示為切削參數(shù)處于切削速度v為100m/min、進(jìn)給量f為0.2mm/r、切削深度aP為0.5mm的狀態(tài)下，瞬時(shí)切削力檢測結(jié)果，由圖7可以看出，切削力存在明顯的波動曲線。原因在于，ADI的基體組織不是均質(zhì)組織，是石墨、奧鐵體和鐵素體混合的特殊組織。奧鐵體相與石墨相之間的強(qiáng)度相差較大，車刀經(jīng)過石墨相時(shí)，受到的作用力會急劇降低；車刀往復(fù)經(jīng)過奧鐵體相和石墨相受到的作用力就會呈現(xiàn)動態(tài)波動的情況。切削力的波動會直接影響刀具的壽命和加工質(zhì)量，這也是ADI屬于難加工材料的原因。

2.2極差分析

在車削過程中，切削力較大會導(dǎo)致刀具的使用壽命縮短，也會降低工件的已加工表面質(zhì)量。所以在選擇切削參數(shù)時(shí)，是以較小切削力為目標(biāo)的。通過極差分析，可以得到切削參數(shù)中各因素對切削力大小的影響程度。以最小切削力為優(yōu)化目標(biāo)，可以得到各個(gè)切削參數(shù)的最優(yōu)水平，從而得到最佳切削參數(shù)組合。對表5中的切削合力以及三個(gè)切削分力進(jìn)行極差分析。

首先，對ADI的進(jìn)給力Fx進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表6所示。其中R值代表極差分析時(shí)該組數(shù)據(jù)的極差，也反應(yīng)了該參數(shù)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響大小，R值越大說明影響程度越大，對極差分析表中R值進(jìn)行分析，可以得出切削參數(shù)對Fx的影響主次順序。以最小切削力為優(yōu)化目標(biāo)，對Fx來說影響程度順序?yàn)閍Pgt;fgt;v，根據(jù)不同水平的不同切削力可以得出最優(yōu)組合為A3B1C1，即切削參數(shù)為切削速度v=140m/min，進(jìn)給量f=0.2mm/r，切削深度aP=0.5mm。

其次，對ADI的背向力Fy進(jìn)行分析，結(jié)果如表7所示。可以得出切削參數(shù)對Fy的影響的主次順序?yàn)椋篴Pgt;fgt;v，以最小切削力為優(yōu)化目標(biāo)，可以得出最優(yōu)切削參數(shù)組合為A2B1C1和A3B1C1，即切削參數(shù)為切削速度v=120-140m/min，進(jìn)給量f=0.2mm/r，切削深度aP=0.5mm。

再對ADI的主切削力Fz進(jìn)行分析，結(jié)果如表8所示?？梢缘贸銮邢鲄?shù)對Fz的影響的主次順序?yàn)椋篴Pgt;fgt;v，以最小切削力為優(yōu)化目標(biāo)，可以得出最優(yōu)切削參數(shù)組合為A3B1C1，即切削參數(shù)為切削速度v=140m/min，進(jìn)給量f=0.2mm/r，切削深度aP=0.5mm。

對切削力三方向分力的極差分析表中極差值R值進(jìn)行分析，可以得出切削參數(shù)對切削力三個(gè)分力的影響最大的是切削深度，其次是進(jìn)給量，最后為切削速度。對R值進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，得出，在相同的切削參?shù)下，切削力三分力的極差值各不相同，但均為主切削力Fz所對應(yīng)的最大、進(jìn)給力Fx的次之、背向力Fy的最小，說明主切削力Fz受切削參數(shù)的影響最大，進(jìn)給力Fx的次之、背向力Fy的最小。

最后對合力F進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表9所示。以最小切削力為優(yōu)化目標(biāo)，對合力F來說影響程度順序?yàn)閍Pgt;fgt;v，最優(yōu)組合為A3B1C1。故對牌號為QTD 1050-6的ADI材料進(jìn)行車削加工時(shí)，從切削參數(shù)對切削力的影響角度來說，要優(yōu)先考慮切削深度的影響，然后再考慮進(jìn)給量，最后考慮切削速度。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，推薦切削參數(shù)為切削速度v=140m/min，進(jìn)給量f=0.2mm/r，切削深度aP=0.5mm。

2.3方差分析

對表5中ADI的切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表10所示。通過對F臨界值查表，選定臨界值F0.05（2，2）=19.00，F(xiàn)0.01（3，3）=99.01。

由表10可知，切削用量三要素對進(jìn)給力和背向力的影響均不顯著，切削深度對主切削力的F=21.849＞F0.05（2，2）=19.00，表現(xiàn)為顯著。雖然切削用量三要素對切削力三分力的影響顯著性不高，但是對F值分析可以看出，切削速度所對應(yīng)的F值均遠(yuǎn)小于其他兩參數(shù)，切削深度對應(yīng)的F值均大于其他兩參數(shù)?？梢缘贸觯邢鲄?shù)對切削力三分力的影響順序?yàn)椋呵邢魃疃萢Pgt;進(jìn)給量fgt;切削速度v，與極差分析得到的結(jié)論相呼應(yīng)。

2.4建立切削力的經(jīng)驗(yàn)公式

對表5中ADI的切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)輸入到SPSS軟件中，進(jìn)行多元線性回歸分析，建立指數(shù)函數(shù)形式的切削三要素與切削力及其三個(gè)分力的經(jīng)驗(yàn)公式，F(xiàn)以及Fx、Fy、Fz與v、f與ap之間的線性回歸經(jīng)驗(yàn)公式：

基于SPSS軟件對回歸方程進(jìn)行驗(yàn)證模型擬合度，對線性回歸分析做顯著性檢驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果如表11所示。根據(jù)復(fù)相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)原則：當(dāng)R位于[0.8，1]區(qū)間內(nèi)時(shí)，表示擬合效果良好，R值越接近1，擬合效果越好。由表10驗(yàn)證結(jié)果可知，R值均位于區(qū)間內(nèi)，且切削合力的R值為0.963，擬合程度高。本模型自變量因素為3個(gè)，正交實(shí)驗(yàn)次數(shù)為9次，自由度為5。由查表可得F0.01（3，5）=12.060，F(xiàn)0.05（3，5）=5.409。表10中F值均大于F0.01（3，5）=12.060，且P值均小于0.001，說明擬合的切削力回歸方程效果高度顯著。

在切削加工牌號為QTD 1050-6的高性能ADI材料時(shí)，運(yùn)用公式（1）得到的切削力經(jīng)驗(yàn)公式，可以預(yù)測出不同切削參數(shù)下的切削力的大小，為切削加工ADI產(chǎn)品時(shí)切削參數(shù)的選擇提供參考，對于提升切削加工ADI材料的效率和改善工件表面質(zhì)量有實(shí)際意義。

2.5切削參數(shù)對ADI切削力的影響

2.5.1切削速度對ADI切削力的影響

為了研究切削速度對ADI切削力的影響，應(yīng)通過制定切削方案以排除其他兩因素對研究的干擾。保持進(jìn)給量選擇0.2mm/r和切削深度選擇0.5mm不變，切削速度分別選取100m/min、110m/min、120m/min、130m/min、140m/min。依次進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，得到的切削力結(jié)果如表12所示。將表12中的切削力數(shù)據(jù)繪制折線圖，得到切削速度對切削加工ADI的切削力影響曲線，如圖8所示。

從表11和圖8可以看出。隨著切削速度從100 m/min增大到140 m/min，進(jìn)給力Fx從107.51N降至94N；背向力Fy從136.86N降至136.01N，幾乎沒發(fā)生變化；主切削力Fz從276.18N降至269.48N；切削力從326.14N降至316.52N。也可以看出切削速度對主切削力的影響大于對進(jìn)給力和背向力的影響。分析原因在于切削速度對切削力及其三個(gè)分力的影響很小。當(dāng)切削速度增大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)刀具與材料之間的接觸面積增大，刀具與材料之間的作用力會增大，材料的應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)增強(qiáng)，但由于ADI的導(dǎo)熱性較差，切削區(qū)會產(chǎn)生更大的溫升，熱軟化效應(yīng)會更集中。材料的熱軟化效應(yīng)大于應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)時(shí)，會導(dǎo)致材料的硬度降低，機(jī)械加工性能適當(dāng)提高，切削力減小所以切削ADI材料時(shí)可以考慮通過適當(dāng)增大切削速度來減小切削力。

2.5.2進(jìn)給量對ADI切削力的影響

為了研究進(jìn)給量對ADI切削力的影響，應(yīng)通過制定切削方案以排除其他兩因素對研究的干擾，保持切削深度選擇0.5mm和切削速度選擇100m/min不變，進(jìn)給量分別選取0.2mm/r、0.3mm/r、0.4mm/r、0.5mm/r、0.6mm/r，依次進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，得到的切削力結(jié)果如表13（見下頁）所示。將表13中的切削力數(shù)據(jù)繪制折線圖，得到切削速度對切削加工ADI的切削力影響曲線，如圖9所示。

從表13和圖9可以看出，隨著進(jìn)給量從0.2mm/r增大0.6mm/r，進(jìn)給力從107.51N增大到193.08N；背向力從136.86N增大到250.53N；主切削力從276.18N增大到537.43N；切削力從326.14N增大到623.60N。ADI材料的進(jìn)給力、背向力以及主切削力均隨著進(jìn)給量的增大而增大，其中主切削力的增長曲線斜率最大，增長速度最快。原因在于，隨著進(jìn)給量的增大，刀具與工件的接觸厚度變大，切削面積會成比例增加，瞬時(shí)切削金屬的體積變大導(dǎo)致第一變形區(qū)塑性變形抗力增大，摩擦力也隨之變大。此外，進(jìn)給量的增大會導(dǎo)致切削溫度升高，加劇刀具磨損以及切削振動，這些因素也會導(dǎo)致切削力的變大。

2.5.3切削深度對ADI切削力的影響

為了研究切削深度對ADI切削力的影響，應(yīng)通過制定切削方案以排除其他兩因素對研究的干擾。進(jìn)給量選擇0.2mm/r不變，切削速度選擇100m/min不變，切削深度分別選取0.50mm、0.75mm、1.00mm、1.25mm、1.50mm，依次進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，得到的切削力結(jié)果如表14所示。將表14中的切削力數(shù)據(jù)繪制折線圖，得到切削速度對切削加工ADI的切削力影響曲線，如圖10所示。

從表14和圖10可以看出，隨著切削深度從0.50mm增大到1.50mm，進(jìn)給力從107.51N增大到437.24N；背向力從136.86N增大到248.04N；主切削力從276.18N增大到751.36N；切削力從326.14N增大到904.01N。進(jìn)給力、背向力以及主切削力均呈增大的趨勢，其中主切削力的增大速率最快，背向力、進(jìn)給力的增長趨勢較為平緩。原因在于隨著切削深度的增加，刀具參加切削運(yùn)動的切削刃長度會變大，單位時(shí)間內(nèi)刀具與工件的接觸面積增大，切削金屬的體積增大，造成第一變形區(qū)塑性變形抗力增大，即刀具與工件的作用力增大，進(jìn)而使得摩擦增大。

3結(jié)論

（1）切削加工QTD 1050-6高性能ADI材料時(shí)，切削參數(shù)對切削力以及三個(gè)分力的影響主次順序?yàn)椋呵邢魃疃萢P＞進(jìn)給量f＞切削速度v。

（2）切削合力F主要受到主切削力Fz的影響，單一切削參數(shù)的變化對切削力以及三個(gè)分力的影響規(guī)律基本一致。切削速度v與切削力F以及三個(gè)分力之間呈負(fù)相關(guān)，切削深度aP和進(jìn)給量f與切削力F以及三個(gè)分力之間呈正相關(guān)。

（3）在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，切削加工QTD 1050-6高性能ADI材料時(shí)，以最小切削力為優(yōu)化目標(biāo)的最優(yōu)切削參數(shù)方案為切削深度aP=0.5mm，進(jìn)給量f=0.2mm/r，切削速度v=140m/min。

（4）在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，切削加工QTD 1050-6高性能ADI材料時(shí)，切削合力的經(jīng)驗(yàn)公式為F合=2416.32v-0.089f0.590ap（0）.928。

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Influence of Cutting Parameters on Cutting Force of Austempered Ductile Iron

LING Yuanzhenga，b，GONG Wenbanga，b，ZHOU Zhongdinga，b，YANG Zhenyanga

（a.School of Mechanical Engineering and Automation;b.Hubei Provincial Key Laboratory of Digital Textile Equipment，Wuhan TextileUniversity，Wuhan Hubei 430200，China）

Abstract：Austempered Ductile Iron（ADI）has more obvious work hardening characteristics due to its unique ausferrite matrix structure，significantly increasing the difficulty of cutting.This article establishes an ADI cutting force detection experimental platform，conducts cut-ting experiments on ADI material with grade QTD 1050-6，uses orthogonal experimental method to study the influence of three factors of cutting parameters on cutting force，uses range analysis and variance analysis method to obtain cutting parameters with the minimum cutting force as the optimal goal，and uses regression analysis to summarize the empirical formula of cutting force.The experimental research re-sults show that when cutting ADI material with QTD 1050-6 grade，the cutting depth in the cutting parameters has the greatest impact on the cutting force，followed by the feed rate，and the cutting speed has the smallest impact.The optimal combination of cutting parameters is aP=0.5mm，f=0.2mm/rand v=140m/min.

Keywords：Austempered DuctileIron（ADI）;cutting parameters;cutting force

（責(zé)任編輯：李強(qiáng)）