工藝參數對球墨鑄鐵高速平面銑削性能影響的試驗研究*

陳凱杰，顏 培，王 鵬，王玉彬，王西彬，焦 黎

(北京理工大學 機械與車輛學院 先進加工技術國防重點學科實驗室，北京 100081)

球墨鑄鐵是20世紀中期發展起來的一種高強度鑄鐵材料。通過球化和孕育處理，將普通鑄鐵內的片狀石墨轉化為球狀，降低了層片狀石墨引起的應力集中，可有效提高鑄鐵的抗沖擊性能和抗剪切強度等力學性能[1-4]。得益于良好的鑄造工藝性以及優良的強度和韌性，球墨鑄鐵已成功應用于承載復雜，強度、韌性和耐磨性要求較高的零件，如發動機曲軸、凸輪軸和齒輪等零部件[5-6]。

球墨鑄鐵屬于難加工材料，選取合適的刀具以及切削參數對球墨鑄鐵進行切削加工一直是研究的熱點，尤其是在表面質量方面[7-9]。高艷[10]通過對球墨鑄鐵進行正交銑削試驗，得出表面粗糙度隨著銑削速度的增加而減小，隨著進給量和切深的增大而增大的結論。Olutosin[11]研究了用硬質合金刀具對珠光體球墨鑄鐵銑削時，切削參數對表面粗糙度的影響：進給速度和切削速度的提高使平均表面粗糙度降低；切削深度的增加使表面粗糙度顯著降低。許鋒[12]通過面銑刀和立銑刀分別銑削鑄鐵，以加工效率、加工成本、表面粗糙度和切削力振幅為高速銑削工藝優化目標，分析了銑削速度、每齒進給量、銑削深度和銑削寬度對其影響規律，并且利用多元線形回歸的方法，建立了表面粗糙度和切削力的模型。周憶[13]通過對超高速銑削加工的切屑形態和刀具的分析，得出了在超高速銑削加工過程中所存在的如下4種效應：工件材料受熱疊積效應、工件材料受熱軟化效應、切削區溫度趨同性效應和刀具受熱隨散效應，并對各影響因素進行了優化計算。

發動機箱體和缸蓋等大尺寸平面銑削加工過程中，既要求較高的表面質量，又要求高的加工效率與刀具壽命[14-16]。由于球墨鑄鐵切削溫度高，刀具磨損快，其高效精密加工是企業面臨的主要問題之一。本文針對典型的高功率密度發動機箱體和箱蓋等零部件的大尺寸高效精密銑削，研究切削工藝參數的變化對表面粗糙度及切屑形態的影響規律，以指導實際切削加工過程，提高加工表面質量及效率。

1 切削試驗

本研究所選擇的工件材料是一種抗拉強度≥400 MPa、延伸率≥15%、屈服強度≥250 MPa的鐵素體球墨鑄鐵，材料牌號為QT400—15，其主要成分見表1。該材料具有高的強度和韌性，是目前高功率密度發動機箱體和缸蓋的主要材料。

表1 QT400—15主要化學成分(質量分數) (%)

切削試驗在DMU 80 mono BLOCK立式五軸加工中心上進行。所選擇的刀盤是直徑為160 mm的Sandvik盤銑刀S-60-160Q40-09HX，齒數為8。刀片為Sandvik Coromant HNEF090508-KL，其刃口半徑為0.8 mm。為保證切削過程中每個刀刃切削深度的均勻性和高精度的動平衡性，采用Zoller對刀儀多次對刀調整之后，各個刀刃的高度差≤8 μm。試驗過程中采用的主要工藝參數見表2。

表2 主要的切削工藝參數范圍

切削過程中，通過DMU 80數控系統可直接讀取機床主軸的即時功率占比。已加工表面的粗糙度采用Landtek SRT—6200手持式粗糙度儀進行測量，在銑削表面沿進給方向取均勻分布的9個不同的位置進行測量并取平均值；每組試驗后收集主要典型切屑進行拍照。

2 試驗結果與討論

2.1 主軸功率占比

主軸功率占比的大小決定了銑削過程中所消耗的功率和加工工藝系統的變形，同時還直接影響切削熱的產生，并進一步影響刀具的磨損、破損和耐用度等，對加工精度和加工質量有著直接的影響；因此，研究球墨鑄鐵在銑削時主軸功率的變化規律有助于分析銑削過程。

在大尺寸刀盤滿齒銑削過程中，由于實際切削過程中參與切削的刀刃數量多，切削接觸區長，導致切削力大、主軸功率高。主軸功率占比隨工藝參數的變化如圖1所示。

圖1 主軸功率占比隨工藝參數的變化

由圖1a可以看出，隨著切削速度增加，主軸功率占比逐漸增大到某一值后又減小，這主要是由于切削速度過高導致切削溫度增加，一方面，工件材料發生熱疊積軟化效應和絕熱剪切效應，使工件材料強度下降；另一方面，刀具受機械應力和熱應力的共同作用，磨破損嚴重使實際切深變小。這兩方面均可以降低切削力與切削扭矩，使主軸功率占比減小，但切削后表面刀紋明顯。由圖1b和圖1c可以看出，隨著每齒進給量和切削深度的增加，主軸功率占比基本呈線性增大，這符合金屬切削過程的一般規律。

2.2 表面粗糙度

已加工表面的粗糙度隨工藝參數的變化如圖2所示。由圖2可以看出，表面粗糙度值隨切削速度的增加呈線性減小，隨每齒進給量和切削深度的增加變化不顯著，符合金屬切削過程的一般規律?？梢?，對于球墨鑄鐵平面銑削加工而言，適當提高切削速度，在提高切削加工效率的同時有助于獲得較低的表面粗糙度。

圖2 表面粗糙度隨工藝參數的變化

2.3 切屑形態

在平面銑削過程中，切削厚度的時變特性導致切屑形態復雜，同一切削工藝參數下通常是多種切屑形態共存。本研究選取每種切削過程中主要的切屑形態進行對比分析。

不同切削速度下典型切屑形態的變化趨勢如圖3所示。由圖3可以看出，當切削速度<240 m/min時，以卷曲狀切屑為主，隨著速度的提高，其卷曲程度逐漸增加，切屑長度逐漸減小，這主要是由切屑變形速度升高引起的；當切削速度>300 m/min時，其形態主要為薄片狀，切屑顏色呈現金黃色，隨著速度的繼續提高，切屑逐漸變成碎屑狀，這主要是由切削區溫度迅速升高引起的。不同切削速度下的切屑形態表明，高速銑削加工時的材料去除效應不同于普通的切削加工，除存在普通切削加工時材料的剪切變形去除效應，更重要的是存在由于高速高溫產生的特殊材料受熱軟化去除效應。

圖3 切屑形態隨切削速度的變化 (ap=0.20 mm, f=0.15 mm/r)

不同進給量下典型切屑形態的變化趨勢如圖4所示。由圖4可以看出，當進給量<0.15 mm/r時，隨著進給速度的增加，典型切屑從碎屑向卷曲狀切屑轉變，且卷曲程度及切屑長度逐漸增加，這是由于切削溫度升高使材料塑性增加、摩擦因數下降導致的；當進給量達到0.20 mm/r時，典型切屑呈薄片狀(部分碎屑)，這是由于切削厚度和溫度繼續升高導致的。

圖4 切屑形態隨進給量的變化 (ap=0.20 mm, v=240 m/min)

不同切削深度下典型切屑形態的變化趨勢如圖5所示。由圖5可以看出，隨著切削深度的增加，典型切屑從薄片狀(部分碎屑)向卷曲狀切屑轉變，且切屑長度和卷曲程度均增加，這符合金屬切削原理中切削深度越大，越不易斷屑的一般規律。

圖5 切屑形態隨切削深度的變化 (f=0.15 mm/r，v=240 m/min)

3 結語

通過對切削試驗結果進行分析，得到如下結論。

1)隨著每齒進給量和切削深度的增加，主軸功率占比基本呈線性增大趨勢。隨著切削速度的增加，主軸功率占比逐漸增大到某一值后，切削溫度迅速上升，導致材料塑性增加，主軸功率占比又出現一定程度的減小。

2)表面粗糙度值隨切削速度的增加線性減小，隨每齒進給量和切削深度的增加變化不顯著；因此，適當提高切削速度有助于降低表面粗糙度。

3)隨著切削速度的提高，切削溫度升高，切屑形態由卷曲狀過渡到薄片狀再到碎屑狀，且切屑顏色呈現金黃色。隨著進給量的增加，切屑從碎屑轉變為卷曲狀切屑再到薄片狀(部分碎屑)。隨著切削深度的增加，切屑從薄片狀(部分碎屑)向卷曲狀切屑轉變。

4)對球墨鑄鐵高速大平面銑削而言，在選擇合理的切削深度和進給量的前提下，適當提高切削速度對主軸功率占比影響不大，卻能在提高切削效率的同時，獲得更好的加工質量。