高速銑合金鑄鐵實驗結果的穩健設計優化分析

杜茂華 王軍華 張建飛 王神送

1.昆明理工大學機械工程系,昆明，6505002.清華大學機械工程系, 北京，100084

0 引言

合金鑄鐵是一種廣泛應用于機械制造、冶金、礦山、化工、儀器制造等行業的新型難加工材料，具有高硬度(洛氏硬度通常不低于HRC48)、高耐熱性、耐磨性和耐蝕性等特殊的物理和化學性質。然而，高速銑削合金鑄鐵時易發生刀具磨損的問題，為了提高加工效率和保證加工質量，工廠只有選用價格高昂的聚晶立方氮化硼(polycrystalline cubic boron nitride，PCBN)刀具對材料進行加工。充分了解合金鑄鐵的加工條件對降低刀具成本具有重要意義，在降低刀具成本的同時，如何減小已加工合金鑄鐵工件的表面粗糙度也是一個有待探索的課題。

近十年來，在切削合金鑄鐵的刀具壽命、刀具磨損機理、切削性能和力學性能等方面的研究引起了人們的極大關注。ZHOU等[1]分別使用硬質合金刀具和立方氮化硼(cubic boron nitride，CBN)150刀具研究了高鉻白口鑄鐵的切削性能，其研究結果表明,CBN150刀具的壽命更長。HECK等[2]對切削蠕墨鑄鐵(compacted graphite iron，CGI)的刀具磨損行為進行了分析研究，刀具的切削刃是由PCBN (體積百分比50%)和一種TiC(N)基黏結劑結合而成，他們在研究中發現，在低切削速度和高進給量條件下，可以使用傳統的涂層硬質合金刀片對CGI進行切削。GUO 等[3]在切削過程中疊加應用低頻調制輔助加工(modulation-assisted machining，MAM)技術，并在高切削速度(大于500 m/min)條件下對CGI進行切削，可有效減小CBN刀具的磨損量，且與未采用MAM技術的傳統切削方式相比，采用MAM技術切削的刀具壽命至少提高了一個數量級。 KATUKU等[4]通過實驗研究了采用PCBN刀具干切削具有高塑性和高硬度的2級奧氏體塑性球墨鑄鐵(含銅、錳和少量的鎂和鎳)時刀具的磨損機理，加工條件如下：切削速度為50～800 m/min，進給量為0.05 mm/r，切削深度為0.2 mm。實驗結果表明，在上述切削速度范圍內，后刀面磨損和月牙洼磨損是刀具的主要磨損形式；當切削速度小于150 m/min時，主要磨損機理是黏結作用及由黏結引起的磨損，當切削速度大于150 m/min時，主要出現的是熱擴散現象和化學氧化反應磨損。MASOOD等[5]對Seco CBN鑲嵌式刀具激光輔助加工高鉻白口鑄鐵耐磨材料時的刀具磨損進行了實驗研究，結果表明，激光輔助切削能有效減小切削力，并延長刀具壽命。RAVI等[6]使用CBN鑲嵌式刀具對高鉻白口鑄鐵進行了加熱切削實驗，并利用田口方法和人工神經網絡研究了高鉻白口鑄鐵的加工特性，其實驗結果表明，加熱切削易于使材料發生剪切現象，因而可減小切削力來使刀具壽命得到預期的提高，同時得到較好的表面光潔度，且氧-液化石油氣火焰加熱硬車削比激光加熱切削更為經濟。CHEN等[7]對使用PCBN刀具和無黏結劑立方氮化硼(binder-less crystalline cubic boron nitride，BCBN)刀具切削高鉻白口鑄鐵進行了性能評估，研究發現，BCBN刀具的硬度和斷裂韌性均高于PCBN刀具的硬度和斷裂韌性；兩種刀具在切削加工時具有不同的性能，與BCBN刀具相比，PCBN刀具的磨損率較小且已加工工件的表面粗糙度較大；使用兩種刀具切削低碳-硅鑄件(硬度HRC54)時比切削高碳-硅鑄件(硬度HRC40)時的切削力和磨損率都要大。

上述研究表明，雖然有學者使用硬質合金刀具對合金鑄鐵進行切削，但PCBN刀具還是被應用于多數高速切削合金鑄鐵的研究中，這是因為合金鑄鐵材料的切削難度大，使用普通刀具切削合金鑄鐵時，刀具磨損嚴重，加工效率低，已加工工件的表面質量差。在高速切削過程中使用PCBN刀具可以提高金屬去除率和減小切削力，但刀具的成本卻很高。為了克服這一難題，本文采用成本較低的硬質合金YG8刀具對某大型工廠的合金鑄鐵Cr15Mo試件進行高速銑削實驗，并得出合適的加工工藝參數條件，以達到降低刀具成本的目的。

1 銑削實驗

本實驗是在HAAS VF3SS立式加工中心(最大功率22 kW, 主軸轉速12 000 r/min)上對合金鑄鐵零件進行面銑加工，采用北航測力儀SDC-C4M(應變放大器為FS-21/4A)進行切削力測量。將某工廠的實際零件試樣塊作為工件，工件材料Cr15Mo(HRC48)的化學成分(質量分數)為：w(C)=2.2%，w(Cr)=14.8%，w(Mn)=0.75%，w(Si)=0.6%，w(Mo)=0.55%，w(P)=0.038%，w(S)=0.04%。YG8 硬質合金刀具是鎢鈷類材料(w(WC)=92%+w(Co)=8%)，刀片型號為APMT1604，具體參數如下：直徑D=63 mm，齒數z=5，前角γo=0°，后角αo=11°，其物理及力學性能見表1。

表1 YG8刀具的物理和力學性能

被加工表面為工件上表面，設置切削寬度ac=63 mm固定不變。加工鑄鐵類材料時通常不使用切削液，采用干切削加工。圖1為實驗裝置圖，包括工件、銑刀和測力儀。圖2為面銑加工示意圖。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 The image of experimental set-up

(a)俯視圖 (b)剖面圖圖2 面銑加工示意圖Fig.2 The schematic of face milling operation

1.1 初始實驗及結果分析

在銑削加工中，刀具受力大小及其磨損與工件材料、刀具材料、工藝參數、刀具幾何形狀等各種加工因素之間的關系非常復雜，在其他條件確定的前提下，選擇合理的工藝參數對于獲得理想的零件加工質量、減小刀具磨損量和實驗次數都具有重要意義。由于切削寬度ac為一固定值，因此，實驗僅對切削速度vc，軸向切削深度ap和進給量f三個因素進行研究。三個參數的初始實驗數據設計參考工廠在半精加工合金鑄鐵時的一些經驗值：切削速度vc=90 m/min，加工余量0.3～0.6 mm，加工表面粗糙度Ra= 6.3 μm。工廠為防止出現廢品，通常選擇較保守且偏小的切削速度值，而本研究根據實驗所使用加工中心的規格參數，在此經驗值的基礎上對切削速度的取值進行優化，每個因素設計4個水平，組成三因素四水平的正交試驗方案，見表2。此外，在銑削加工開始之前，在動態數據采集系統需設置x、y和z方向，見圖2 。

表2 正交試驗方案

(a)ap對Fx的影響

(b)ap對Fy的影響

(c)ap對Fz的影響

(d)ap對F的影響圖3 不同切削速度下刀具受力與軸向切削深度ap之間的關系Fig.3 Tool force dependence on axial cutting depthsap under different cutting speeds

1.2 擴大實驗

為了進一步探索高速銑削合金鑄鐵的刀具性能，在上述初始實驗中得到的較為理想的ap=0.4 mm基礎上，又增加了表3中組合1～組合4的4組參數組合，并對4組參數組合進行擴大實驗。表3中，組合1～組合4來自于表4中1號～16號的擴大正交試驗水平原始數據，且進給量選取表4中的最大值(f= 0.6 mm/r)，其中，表4采用與1.1節中初始實驗相同的三因素四水平正交陣列試驗方案。此外，表3中又補充了組合5(vc=900 m/min，ap=0.4 mm,f=0.6 mm/r)，組合5相應地來自于表4中補充的正交試驗水平17號～20號，同時列出了各方向切削力分量最大值和總切削力最大值的實驗結果。

表3 擴大實驗組合及實驗結果

表4 三因素四水平擴大正交試驗方案原始數據

擴大實驗過程中，在除了組合5的其他參數組合下加工時，機床發出的噪聲均很小，且工件的加工精度均有顯著改善，獲得的表面粗糙度均為Ra=0.4 μm，保證了加工質量，甚至達到了磨削的加工效果，這表明在除組合5的加工條件下，刀具仍具有可靠的切削性能。對于組合5，由于選用了較大的加工參數，導致工件表面質量大幅度降低，表面粗糙度為Ra=6.3 μm。從表3中可以看出，在各種參數組合下銑削時的切削力分量和總切削力的數值均不大。雖然組合4的切削力與其他參數組合相比不是最小的，但仍能獲得相當于磨削后的表面粗糙度數值，這表明使用硬質合金刀具銑削鑄鐵合金的最優參數并非初始實驗得到的參數組合(vc=400 m/min，ap=0.4 mm)，而是更高速的參數組合(即vc=800 m/min,ap=0.4 mm和f=0.6 mm/r)，此時刀具仍處于正常磨損階段，可保證刀具的切削能力。

在參數組合(vc=900 m/min,ap=0.4 mm和f=0.6 mm/r)條件下進行銑削時，整個加工過程未出現火花，但有尖叫和顫振現象發生。這種尖叫是由于刀具急劇磨損與機床振動(此時能明顯感覺到機床護罩在抖動)耦合作用形成的一種噪聲，也是工廠工人常用來判斷刀具磨鈍的一種最直觀的現象。同時，已加工工件的表面質量顯著降低，表面粗糙度Ra=6.3 μm，這表明在加工參數ap=0.4 mm、f=0.6 mm/r時，采用硬質合金刀具高速銑削鑄鐵合金的最大切削速度應小于900 m/min。

2 擴大實驗結果的討論與分析

2.1 基于穩健設計優化原理的理論分析

本研究通過采用田口(Taguchi)方法找到一組最佳的工藝設計參數，以生產出高品質的產品，并以最低的制造成本或在現有工藝條件下實現產品最佳性能的穩健性。田口參數設計是穩健設計的重要工具之一[6]，為依據性能、質量和成本進行參數優化提供了一種系統的方法。田口方法把設計變量分為控制因素和噪聲因素：控制因素是指經濟而易于控制的變量；噪聲因素是指在實驗中可控，但在實踐中難以控制或需要付出昂貴代價才能控制的因素。參數優化的目標是確定控制因素的組合設置，以便在有噪聲因素的條件下也能最大限度地提高產品的穩健性。

在切削加工時，為減少刀具磨損量和保證加工質量，我們希望切削力既不要太大，也不能小到無法有效地去除工件材料，因此，本文選擇切削力和工件的表面粗糙度作為質量特性因素，來優化在任何噪聲因素條件下的過程控制因素。由表3可知，在500～800 m/min的高速范圍內，切削力均不大(最大值為350 N)。為了實現工件表面粗糙度的最小化，依據信噪比RS/RN“越大越好”準則來設計參數組合，RS/RN可以表示為

(1)

(2)

根據式(1)計算分析控制因素(切削速度vc, 進給量f和軸向切削深度ap)對響應(總切削力F)的影響，vc、f、ap及F的各原始數據見表4。

表5為基于擴大正交試驗方案三因素四水平的原始數據(表4),在各速度水平下的總切削力的方差分析(analysis of variance，ANOVA)及根據式(1)得到的信噪比值RS/RN的比較。由表5可知，當切削速度為500 m/min和700 m/min時，總切削力F的RS/RN比值均較小(分別為15.98和15.73)，且二者之間的差值也很小，而其余切削速度水平所對應的各RS/RN比值均較大。當切削速度為900 m/min時，所對應的RS/RN比值(16.37)雖大于切削速度為500 m/min和700 m/min時的RS/RN比值，但所對應的均方差SF=43.89最大，這表明相應的切削力波動較大，會對刀具壽命產生極為不利的影響，且此時的表面粗糙度Ra=6.3 μm也最大(表3)。當切削速度為800 m/min時，所對應的RS/RN比值(20.15)最大，且均方差SF=20.02最小，這表明選擇800 m/min的切削速度對于獲得最小表面粗糙度是最有效的。

表5 基于表4的切削力均方差分析和信噪比值對比

由表5的切削參數穩健設計優化理論分析可知，最佳切削速度為vc=800 m/min，結合表3中在該速度下對應的表面粗糙度數值Ra=0.4 μm可知，本研究得到的最佳工藝參數組合并非是以單目標方法[8](即以切削力最小為目標)進行優化而得到的組合，而是采用一種多目標的參數優化方法，即綜合運用總切削力的最小均方差(反映了總切削力本身的最小波動)和總銑削力的最大信噪比(反映了切削速度vc、進給量f和軸向切削深度ap對總切削力F的最大影響)，以及加工表面粗糙度的最小值這三個目標對工藝參數進行優化的方法。綜上可知，本文找到了一種能同時滿足高速(vc=800 m/min)、高質量(Ra=0.4 μm)和低成本(使用成本較低的硬質合金刀具)加工要求的多目標工藝參數優化方法。采用穩健設計優化原理的理論分析結果與通過實驗所得到的優化參數組合結果具有一致性，從而驗證了該多目標參數優化方法的有效性，因此，最終確定的工藝參數的最優組合為vc=800 m/min,f=0.6 mm/r和ap=0.4 mm。

2.2 實驗結果的加工機理分析

合金鑄鐵材料具有硬度高、導熱系數小的特性。YANG等[9]解釋了合金鑄鐵加工中鋸齒狀切屑的形成機理。具體機理如下：在合金鑄鐵的高速銑削過程中，由于合金鑄鐵的熱性能較差，切削熱難以從切削區排出，從而導致剪切帶的形成。刀尖處的高溫現象導致材料出現局部熱軟化，加工過程中的加工硬化現象導致材料產生局部應力甚至出現裂紋。隨著銑削過程的進行，在絕熱剪切和塑性斷裂的雙重作用下便形成了鋸齒狀切屑。圖4所示為由本研究擴大實驗得到的典型鋸齒狀切屑。切屑的鋸齒化程度[10]與工藝參數(即切削速度vc、進給量f和軸向切削深度ap)有著密切關系。

圖4 擴大實驗所得到的鋸齒狀切屑Fig.4 The typical serrated chip produced fromextended experiments

(1)進給量f。由表3可知，在vc=500～800 m/min條件下高速銑削合金鑄鐵Cr15Mo時，理想的軸向切削深度和進給量分別為ap=0.4 mm和f=0.6 mm/r。這是因為對于給定的工件材料和刀具齒數z，進給量f取值的大小主要取決于機床功率。根據工廠的加工手冊和加工經驗數據，每齒進給量fz通常取0.12 mm，在本研究中齒數z=5，則f=0.6 mm/r。由此可知，在一個較大的切削速度范圍內(160～900 m/min)，進給量f=0.6 mm/r是一個適當的值，這與實驗結果一致。

(2)軸向切削深度ap。將銑削后獲得的工件表面粗糙度與實驗室對比樣塊的表面粗糙度進行比較發現，當vc=500～800 m/min和ap=0.4 mm時，銑削后的工件表面粗糙度達到了磨削的效果。這是因為精加工階段的加工余量通常為0.2～0.5 mm，相當于平面磨削余量0.3～0.6 mm。由圖3可以看出，當ap>0.4 mm時，切削力分量與總切削力均顯著增大，這意味著當ap>0.4 mm時，切屑的鋸齒化程度提高。由此可知，ap=0.4 mm正是能夠保證磨削表面粗糙度和高生產率的軸向切削深度。

(3)切削速度vc。由表3可知，在vc=500～800 m/min范圍內，加工工件的表面粗糙度均為Ra=0.4 μm，這表明在該切削速度范圍內切屑的鋸齒化程度保持穩定。當切削速度增大到vc=900 m/min時，表面粗糙度增大，實驗獲得的Ra=6.3 μm，這意味著切屑的鋸齒化程度在vc=900 m/min時開始大幅度提高，原因是當切削速度增大到900 m/min時，切削熱量的增加導致工件材料的熱軟化，故切削力減小；此外，隨著切削熱量的增加，加劇了刀具的磨損，因而導致已加工工件表面粗糙度的增大，這正是高速切削的特點之一。由此可知，使用硬質合金刀具高速銑削合金鑄鐵時，最大切削速度應小于900 m /min。

3 結論

(1)切削合金鑄鐵的最佳工藝參數組合為：切削速度vc=800 m/min，軸向切削深度ap=0.4 mm和進給量f=0.6 mm/r。該參數組合既能滿足加工工件表面粗糙度的要求，又能實現加工中心在高速條件下的切削加工效率和生產率，對建立高速銑削數據庫有一定的參考價值。

(2)在使用硬質合金刀具高速銑削合金鑄鐵時，最大切削速度應小于900 m/min，在該速度條件下，加工過程中未觀察到火花，但出現了加工顫振現象。

(3)對于高速銑削合金鑄鐵材料時形成鋸齒狀切屑的銑削過程而言，只要切屑的鋸齒化程度保持穩定，隨著切削速度的增大(在一定的高速范圍內，本研究中vc=500～800 m/min)，加工工件的表面粗糙度可以滿足生產的要求。