蠕墨鑄鐵加工研究綜述*

李蘇洋，唐梓敏，丁 峰，王成勇，隋建波※，梁清延

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；2.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西玉林 537005）

0 引言

蠕墨鑄鐵早在1948年就被發(fā)現(xiàn)，由珠光體/鐵素體基體蠕蟲(chóng)狀石墨基體組成，并因此而得名。相較于傳統(tǒng)的灰鑄鐵，蠕墨鑄鐵具有更高的拉伸強(qiáng)度、彈性模量和疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能的同時(shí)具有更低的質(zhì)量，因此對(duì)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體和氣缸蓋薄壁輕量化、提高燃油經(jīng)濟(jì)性以及降低尾氣排放具有很大的優(yōu)勢(shì)，在汽車(chē)領(lǐng)域不斷得到應(yīng)用。Dawson等[1]對(duì)比了灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵3 種典型鑄鐵的組織形態(tài)和性能，結(jié)果如圖1和表1所示。

圖1 灰鑄鐵(Gray)、蠕墨鑄鐵(CGI)和球墨鑄鐵(Ductile)的二維石墨形態(tài)和三維石墨形態(tài)比較

表1 3種鑄鐵材料的典型性能比較

由圖1和表1可知，蠕墨鑄鐵的形態(tài)介于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，其物理和力學(xué)性能也介于其之間，具有較好的綜合性能，兼具有灰鑄鐵良好的鑄造性能與球磨鑄鐵的高強(qiáng)度。

然而蠕墨鑄鐵更高的力學(xué)性能卻造成其加工性能比灰鑄鐵要差，在高速連續(xù)切削條件下，刀具壽命甚至降低10～20倍[2]。主要表現(xiàn)在：（1）切屑為不連續(xù)鋸齒狀切屑，容易引起加工過(guò)程中的刀具振動(dòng)；（2）導(dǎo)熱性低，加工過(guò)程中切削熱難以排出，易造成切屑軟化或者粘刀現(xiàn)象；（3）蠕鐵基體中的鐵素體，易與刀具的切削刃粘結(jié)，加劇刀具磨損；（4）拉伸強(qiáng)度大導(dǎo)致切削過(guò)程中刀具所受切削力增大。故研究蠕墨鑄鐵的加工性能已成為突破應(yīng)用瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)之一。郝長(zhǎng)文[2]總結(jié)了影響蠕墨鑄鐵加工性能的可能因素，包括鑄鐵材料的組織成分、石墨球化率、刀具材料和結(jié)構(gòu)、加工工藝參數(shù)等。可見(jiàn)影響蠕墨鑄鐵加工性能的因素較多，目前對(duì)其加工機(jī)理尚不完全清楚，針對(duì)上述的影響因素的分析還比較分散。

關(guān)于蠕墨鑄鐵相關(guān)系列問(wèn)題及研究進(jìn)展，已有部分學(xué)者從不同角度進(jìn)行綜述。2005年，邱漢泉與陳正得[3-5]就圍繞中國(guó)蠕墨鑄鐵40年主題開(kāi)展了綜述，綜述了中國(guó)蠕墨鑄鐵的發(fā)展概況、生產(chǎn)方法及蠕化劑、金相組織及其與性能關(guān)系、一次性結(jié)晶研究、熱處理、質(zhì)量檢驗(yàn)、典型應(yīng)用例子和蠕墨鑄鐵合金化及應(yīng)用等。2010年，王有清等[6]綜述了蠕墨鑄鐵在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上的應(yīng)用情況和存在問(wèn)題，并指出了蠕墨鑄鐵應(yīng)用的未來(lái)方向。2011年，張伯明[7]綜述了蠕墨鑄鐵在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用情況，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及生產(chǎn)要點(diǎn)。2012年，張忠仇等[8]綜述了2005-2012年中國(guó)蠕墨鑄鐵的研究進(jìn)展及內(nèi)燃機(jī)蠕墨鑄鐵缸體的研制情況，建議以此為契機(jī)，拓寬蠕墨鑄鐵的應(yīng)用范圍。2014年，袁華等[9]綜述了蠕墨鑄鐵切削加工機(jī)制、刀具、加工工藝等方面的研究現(xiàn)況，總結(jié)了加工過(guò)程中存在的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和蠕墨鑄鐵加工技術(shù)的研究趨勢(shì)。

本文從提高蠕墨鑄鐵加工性能角度分析，著力于蠕墨鑄鐵加工性能的影響因素，分別對(duì)蠕墨鑄鐵的加工機(jī)理、鑄鐵材料組分、刀具材質(zhì)和加工工藝參數(shù)對(duì)其加工性能的影響進(jìn)行了總結(jié)，以期獲得蠕墨鑄鐵加工的現(xiàn)狀與不足，指出未來(lái)的研究方向，實(shí)現(xiàn)蠕墨鑄鐵的高效高質(zhì)加工。

1 蠕墨鑄鐵加工機(jī)理

由于蠕墨鑄鐵具有與灰鑄鐵類(lèi)似的成分組成與綜合力學(xué)性能，故當(dāng)前關(guān)于蠕墨鑄鐵的加工機(jī)理研究多是基于灰鑄鐵的加工機(jī)理出發(fā)，厘清蠕墨鑄鐵的加工機(jī)理，有助于蠕墨鑄鐵加工性能的提升及突破。蠕墨鑄鐵由于在鑄造過(guò)程中加入了蠕化劑，使得其自身所含的硫化物被消耗，加工時(shí)無(wú)法像灰鑄鐵一樣在切削刃表面形成具有潤(rùn)滑作用的MnS，而MnS又能夠降低氧化和元素?cái)U(kuò)散率，缺少M(fèi)nS 加劇了刀具的磨損，致其加工性能遠(yuǎn)低于灰鑄鐵。而這一結(jié)論也被眾多學(xué)者所證明。

Gastel等[10]研究了CBN刀具加工蠕墨鑄鐵的磨損機(jī)理并與灰鑄鐵加工相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)刀具存在氧化現(xiàn)象，并且CBN 刀具和蠕墨鑄鐵材料間存在元素相互擴(kuò)散現(xiàn)象。Gastel認(rèn)為蠕墨鑄鐵加工時(shí)刀具壽命降低是因?yàn)榈毒呓佑|界面缺少M(fèi)nS 層的形成（灰鑄鐵加工時(shí)存在MnS層），如表2所示。Gastel等[11]利用SIMS 分析技術(shù)將CBN 刀具加熱到700 ℃分析其分別與蠕墨鑄鐵和灰鑄鐵接觸時(shí)的元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)CBN 刀具里面的B、W和Ti元素進(jìn)入蠕墨鑄鐵和灰鑄鐵中，而蠕墨鑄鐵或灰鑄鐵里面的Fe 和Si 元素進(jìn)入CBN 刀具中，擴(kuò)散深度達(dá)20 μm。之后Dawson 等[1]通過(guò)蠕墨鑄鐵的銑削和車(chē)削實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)灰鑄鐵加工時(shí)存在MnS 層，而蠕墨鑄鐵加工時(shí)沒(méi)有。Sahm 等[12]和Abele 等[13]也分別證實(shí)MnS 層的存在及其對(duì)刀具磨損的影響。Sahm 等認(rèn)為鑄鐵材料里面的S 元素對(duì)MnS 層的形成具有直接的影響，并且認(rèn)為需要針對(duì)蠕墨鑄鐵材料開(kāi)發(fā)新的刀具材料。Abele等通過(guò)采用CBN刀具、Ceramic刀具和Carbide刀具材料車(chē)削蠕墨鑄鐵，發(fā)現(xiàn)MnS 層存在于灰鑄鐵的加工中，而不存在于蠕墨鑄鐵的加工過(guò)程中，并且PcBN刀具連續(xù)加工蠕墨鑄鐵材料導(dǎo)致刀具壽命降低10～20倍，而帶涂層的Carbide刀具壽命在100～120 m/min 的加工速度條件下可以接受。Heck 等[14]通 過(guò)X-ray、AFM 和SIMS 等 分 析 表 征 技 術(shù) 來(lái) 研 究MnS 有無(wú)對(duì)鑄鐵材料加工時(shí)的內(nèi)部潤(rùn)滑機(jī)理，并提出采用斷續(xù)加工方式來(lái)代替連續(xù)加工，如圖2所示。

表2 不同切削速度切削蠕墨鑄鐵（CGI）和灰鑄鐵（CI）后的CBN刀具形貌對(duì)比

圖2 相同加工條件下（800 m/min切削325 m）切削蠕墨鑄鐵和灰鑄鐵的刀具前刀面AFM圖

此外，鋸齒狀切屑是蠕墨鑄鐵加工過(guò)程的典型特征之一，不連續(xù)的鋸齒狀切削會(huì)引起刀具切削時(shí)的受力不均勻，從而導(dǎo)致切削振動(dòng)增加及加工界面表面質(zhì)量降低。部分學(xué)者圍繞蠕墨鑄鐵加工過(guò)程中的切屑產(chǎn)生機(jī)制及表面創(chuàng)成機(jī)理開(kāi)展研究，并建立了一系列模型，用于預(yù)測(cè)蠕墨鑄鐵的加工性能，包括切屑形成機(jī)理模型、蠕墨鑄鐵材料失效模型、刀具失效模型、切削性能預(yù)測(cè)模型等，組成蠕墨鑄鐵的加工機(jī)理模型，為蠕墨鑄鐵的加工性能研究提供理論思路指導(dǎo)。

George[15]研究對(duì)比了灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵切屑形成的顯微結(jié)構(gòu)，并結(jié)合切削刀具、機(jī)床和工件結(jié)構(gòu)，討論了切屑形成過(guò)程中所產(chǎn)生的物化作用。Ding 等[16]基于流動(dòng)霍普金森壓力棒測(cè)試提出了一種改進(jìn)的RuT400 CGI 切削材料模型，并利用改進(jìn)的材料模型和Cock-Latham損傷模型，建立用于RuT400切削的熱機(jī)械耦合有限元模型，得到了鋸齒狀切削生成的加工機(jī)理，如圖3所示。熊飛翔等[17]揭示了高速銑削蠕墨鑄鐵的切屑形成和工藝參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響，并建立工藝參數(shù)與銑削力和表面粗糙度之間的擬合方程，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了蠕墨鑄鐵銑削過(guò)程中銑削力與表面粗糙度的預(yù)測(cè)。Ljustina等[18]開(kāi)發(fā)了一種蠕墨鑄鐵材料的本構(gòu)方程來(lái)驗(yàn)證蠕墨鑄鐵加工時(shí)的熱力耦合情況，采用有限元方法模擬了蠕墨鑄鐵材料加工過(guò)程，其模型考慮了鑄鐵的微結(jié)構(gòu)以及球化率的變化情況，其模擬的切削力和切屑形態(tài)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有比較好的符合性。Mohammed 等[20]也采用有限元方法模擬了石墨-基體的界面和石墨顆粒對(duì)蠕墨鑄鐵加工的影響，但模型由其他材料進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)，Mohammed等[21]也研究了在動(dòng)態(tài)載荷情況下蠕墨鑄鐵中裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。結(jié)果發(fā)現(xiàn)裂紋源于石墨顆粒和石墨/基體界面且無(wú)順序選擇，并以微裂紋網(wǎng)絡(luò)的形式傳播到金屬基質(zhì)中，最終聚結(jié)導(dǎo)致材料完全失效。此外并利用ABAQUS/CAE 建立了有限元模型，用于計(jì)算特定區(qū)域的應(yīng)力集中以預(yù)測(cè)裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，如圖4 所示。Lin 等[23]通過(guò)響應(yīng)面法（RSM）分析了蠕墨鑄鐵銑削過(guò)程中切削速度、進(jìn)給速度、切削量與切削力和表面粗糙度的關(guān)系，并通過(guò)多元線(xiàn)性回歸分析建立了對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型。得出進(jìn)給速度和切削深度是切削力的顯著影響因素，切削速度和進(jìn)給速度是表面粗糙度的顯著影響因素的結(jié)論。倪高明等[24]利用最小二乘法得出了蠕墨鑄鐵高速車(chē)削過(guò)程中主切削力與切削參數(shù)的關(guān)系模型，并研究了刀具磨損，得出涂層硬質(zhì)合金高速車(chē)削蠕墨鑄鐵時(shí)以粘結(jié)磨損為主、伴隨著硬質(zhì)點(diǎn)磨損和氧化磨損的結(jié)論。馮義超等[25]建立了基于切削參數(shù)的銑削力、粗糙度的線(xiàn)性回歸經(jīng)驗(yàn)公式，并對(duì)比了蠕墨鑄鐵、灰口鑄鐵、球墨鑄鐵在銑削加工中刀具的失效形式與失效機(jī)理，其中蠕墨鑄鐵的主要失效機(jī)理為粘結(jié)磨損、氧化磨損和擴(kuò)散磨損。牛佳慧[26]建立了蠕墨鑄鐵（GJV450）的本構(gòu)方程，并進(jìn)行了有限元切削仿真；建立了基于實(shí)際切削條件的刀具-工件材料匹配性模型，為刀具材料的合理選擇提供理論依據(jù)。魯娟等[27]采用DE-SVM 提高支持向量機(jī)回歸模型建立了蠕墨鑄鐵表面粗糙度模型，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)加工參數(shù)對(duì)于表面粗糙度的影響，其中表面粗糙度與切削速度成正比關(guān)系，與進(jìn)給速度成反比，而切削深度對(duì)表面粗糙度影響不顯著。

圖3 RuT400鋸齒狀切屑形成的動(dòng)態(tài)過(guò)程

2 材料組分和微結(jié)構(gòu)對(duì)加工性能的影響

圖4 蠕墨鑄鐵裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)散SEM圖

蠕墨鑄鐵與灰鑄鐵相比，其主要區(qū)別是鑄造的過(guò)程中，蠕墨鑄鐵添加了蠕化劑發(fā)生系列化學(xué)反應(yīng)，而形成不同的微結(jié)構(gòu)，灰鐵中的石墨呈片狀形態(tài)，蠕墨鑄鐵中的石墨呈蠕蟲(chóng)狀，且不同蠕墨鑄鐵蠕化率不同，導(dǎo)致了蠕墨鑄鐵與灰鑄鐵不同的加工性能。故部分學(xué)者從蠕墨鑄鐵材料自身出發(fā)，通過(guò)建立蠕墨鑄鐵微結(jié)構(gòu)（包括珠光體含量、石墨形態(tài)等）與加工性能的關(guān)系，或者通過(guò)調(diào)控蠕墨鑄鐵的特定元素含量，進(jìn)而調(diào)控其微結(jié)構(gòu)，以達(dá)到尋求提高蠕墨鑄鐵加工性能方法。

Berglund等[28]研究了珠光體層間距對(duì)蠕墨鑄鐵加工性能的影響，發(fā)現(xiàn)其沒(méi)有珠光體含量的影響大，認(rèn)為珠光體含量是更重要的因素，結(jié)果如圖5 所示。Grenmyr 等[29]采用涂層硬質(zhì)合金刀具車(chē)削蠕墨鑄鐵的方法研究了球化率對(duì)刀具磨損和磨損機(jī)理的影響，發(fā)現(xiàn)在中等和高加工速度條件下，球化率變化（5%～62%范圍）對(duì)刀具磨損具有影響，并且球化率為5%～20%變化時(shí)對(duì)刀具磨損影響更大。Nayyar等[30]通過(guò)外圓和端面車(chē)削方式研究了鑄鐵材料類(lèi)型（灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵）對(duì)加工溫度、切削力和刀具磨損的影響，發(fā)現(xiàn)加工溫度與鑄鐵材料類(lèi)型關(guān)系不大，而切削力受鑄鐵材料類(lèi)型影響較大，并得到在干切削條件下粘結(jié)磨損是主要的磨損機(jī)理，而磨粒磨損是濕切削條件下的主要磨損機(jī)理，如圖6 所示。Nayyar等[31-32]又通過(guò)車(chē)削18種不同的蠕墨鑄鐵材料研究了蠕墨鑄鐵微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能對(duì)車(chē)削力和刀具壽命的影響，發(fā)現(xiàn)刀具壽命依賴(lài)于蠕墨鑄鐵的微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，并且隨著硬度、拉伸強(qiáng)度和珠光體含量的增加刀具壽命降低。鄭冰等[33]對(duì)比了兩種不同蠕化率的蠕墨鑄鐵的顯微組織與加工性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)石墨含量相同時(shí)，蠕化率低的蠕墨鑄鐵中珠光體組織多，抗拉強(qiáng)度和硬度較高，加工性能較蠕化率高的差。

圖5 球化率、珠光體含量與珠光體層間距對(duì)蠕墨鑄鐵拉伸強(qiáng)度和刀具壽命的影響

之后鄭冰等[34]又研究了Sn 對(duì)蠕墨鑄鐵顯微組織和切削加工性能的影響，發(fā)現(xiàn)合金元素Sn的加入會(huì)使蠕蟲(chóng)狀石墨得到了細(xì)化，并且分布更加均勻，促進(jìn)了珠光體的形成，可以提高蠕墨鑄鐵的強(qiáng)度和硬度，但同時(shí)切削抗力也明顯增大，影響蠕墨鑄鐵加工性能，如圖7所示。Dawson等[1]分析了蠕墨鑄鐵中珠光體含量、石墨形態(tài)和化學(xué)組分對(duì)其加工性能的影響，發(fā)現(xiàn)非鐵元素的存在對(duì)其加工性能影響很大，并且由于沒(méi)有MnS 層的存在，蠕墨鑄鐵加工時(shí)要特別注意限制像Ti 和Cr 等元素的含量。另外Dawson 認(rèn)為采用多刃刀具加工蠕墨鑄鐵是最有效的。Sadik 等[35]和Rosa 等[36]分別采用銑削和車(chē)削的方式研究了Ti元素的含量對(duì)蠕墨鑄鐵加工性能的影響。Sadik發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ti元素含量從0.004%增加到0.04%后，刀具壽命降低了50%。Rosa 等發(fā)現(xiàn)Ti 含量最大時(shí)刀具壽命最短，但Ti含量對(duì)蠕墨鑄鐵加工時(shí)消耗的功率和加工后表面粗糙度沒(méi)有影響，并認(rèn)為磨粒磨損和粘結(jié)磨損是主要的刀具磨損形式。Malakizadi 等[37]通過(guò)銑削不同Si 含量強(qiáng)化的蠕墨鑄鐵研究了微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能對(duì)刀具磨損的影響，發(fā)現(xiàn)蠕墨鑄鐵的加工性能受其微組分類(lèi)型和含量影響，并且得到磨粒和粘結(jié)磨損是主要的磨損形式。林勇傳等[38]提出改變?nèi)淠T鐵的化學(xué)成分以改善其切削加工的研究方法，并證明了在蠕墨鑄鐵添加適量的氮化硼可以改善其切削加工性能，同時(shí)保持力學(xué)性能不變。

圖6 車(chē)削實(shí)驗(yàn)中，灰鑄鐵（FGI）、蠕墨鑄鐵（CGI）和球墨鑄鐵（SGI）的刀具形貌與切削力對(duì)比圖

圖7 加入Sn時(shí)的蠕墨鑄鐵石墨形態(tài)與基體組織

3 刀具結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和涂層對(duì)加工性能的影響

刀具是決定蠕墨鑄鐵加工性能的最直接因素，而刀具壽命則是決定加工成本的決定性因素。當(dāng)前限制蠕墨鑄鐵加工性能的一大重要原因是由于其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等導(dǎo)致的刀具磨損失效，刀具與其的加工適配性不高，不能很好地滿(mǎn)足其加工需求。當(dāng)前業(yè)界普遍采用的用于蠕墨鑄鐵加工的刀具主要包括硬質(zhì)合金刀具、涂層刀具、陶瓷刀具等。基于上述幾類(lèi)刀具對(duì)于蠕墨鑄鐵加工性能的影響也成為了研究重點(diǎn)，包括刀具結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和涂層等的研究。

刀具結(jié)構(gòu)影響其在切削過(guò)程中所受切削力的大小分布、磨損及排屑等，針對(duì)刀具的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)蠕墨鑄鐵加工性能的研究對(duì)延長(zhǎng)刀具壽命及提高蠕墨鑄鐵加工性能具有重要作用。Karabulut 等[39]采用陶瓷刀具面銑削蠕墨鑄鐵研究了主偏角對(duì)刀具磨損的影響，發(fā)現(xiàn)主偏角對(duì)刀具后刀面磨損的影響很大，并提出了一個(gè)快速估計(jì)刀具壽命的方法。Oliveira 等[40]通過(guò)TiAlN涂層硬質(zhì)合金鉆頭鉆削蠕墨鑄鐵研究了鉆頭幾何結(jié)構(gòu)對(duì)刀具磨損和壽命的影響，發(fā)現(xiàn)磨粒磨損是最主要的磨損形式，鉆頭幾何形狀對(duì)刀具壽命和孔表面粗糙度影響很大并與切屑形態(tài)有關(guān)，如圖8～9所示。Nayyar等[41]研究了在濕車(chē)削的條件下，不同切削參數(shù)下切削刃幾何形狀對(duì)CGI 切削性能（包括刀具壽命、切削力、表面粗糙度和完整性）的影響，結(jié)果表明切削刃半徑對(duì)刀具壽命和切削力具有顯著影響。

圖8 不同刀具幾何形狀與刀具壽命的關(guān)系

圖9 不同刀具幾何形狀與刀具磨損的關(guān)系

刀具基體材質(zhì)是決定刀具最基本強(qiáng)度、韌性等重要性能的基本要素。Sadik[42]通過(guò)比較不同等級(jí)的硬質(zhì)合金涂層刀具和無(wú)涂層的陶瓷刀具面銑削蠕墨鑄鐵時(shí)的表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)陶瓷刀具能實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)率，但其刀具壽命受限于進(jìn)給速度和徑向切削深度，而涂層硬質(zhì)合金刀具的壽命受限于加工速度。Tasdelen等[43]對(duì)比了CBN和硬質(zhì)合金刀具面銑削蠕墨鑄鐵和灰鑄鐵時(shí)的刀具壽命，發(fā)現(xiàn)CBN 對(duì)灰鑄鐵加工性能比硬質(zhì)合金好，但對(duì)蠕墨鑄鐵不適用。李盼來(lái)[44]使用PCBN超硬材料刀具切削蠕墨鑄鐵，發(fā)現(xiàn)刀具的主要磨損機(jī)理為氧化磨損與粘著磨損，并得出切削參數(shù)對(duì)于刀具參數(shù)的影響是：切削速度＞進(jìn)給量＞切削深度。另一方面，針對(duì)刀具基體材質(zhì)和涂層對(duì)蠕墨鑄鐵加工性能能的影響研究相對(duì)較多。Gabaldo 等[45]對(duì)比了硬質(zhì)合金和陶瓷（Si3N4）刀具面銑削蠕墨鑄鐵氣缸體時(shí)的磨損機(jī)理和刀具壽命，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金刀具比陶瓷刀具有更長(zhǎng)的使用壽命，如圖10 所示。Sousa 等[46]進(jìn)行了摻雜有氧化鎂的氧化鋁陶瓷刀具的蠕墨鑄鐵干式切削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磨損是刀具失效的主要形式，并且在切削速度200 m/min、進(jìn)給量0.1 mm、切削深度1.0 mm條件下可以獲得最佳的加工效果。

圖10 硬質(zhì)合金（HC）和陶瓷（CN）刀具加工蠕墨鑄鐵刀具磨損對(duì)比圖

刀具涂層的運(yùn)用可以有效地增加刀具的耐磨損性能、表面潤(rùn)滑性能等，是提高蠕墨鑄鐵的加工性能研究的一個(gè)重要思路。Duchosal等[47]從摩擦學(xué)的角度比較了蠕墨鑄鐵微觀結(jié)構(gòu)對(duì)單層PVD涂層和多層CVD涂層的加工性能影響，結(jié)果顯示CVD涂層具有更小的摩擦因數(shù)且比PVD涂層更耐磨損，更適用于蠕墨鑄鐵的加工。Chen 等[48]采用實(shí)驗(yàn)和有限元方法對(duì)比了涂層硬質(zhì)合金刀具和無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具干銑削蠕墨鑄鐵時(shí)的刀具磨損情況，發(fā)現(xiàn)涂層刀具有很大優(yōu)勢(shì)，并且無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具的主要磨損機(jī)理為粘結(jié)磨損，而涂層硬質(zhì)合金刀具的主要磨損機(jī)理為磨粒磨損和分層現(xiàn)象。Silva 等[49]研究了Al2O3涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)刀具壽命和磨損機(jī)理的影響，發(fā)現(xiàn)前刀面磨損形式為磨粒磨損和粘結(jié)磨損，而高加工速度條件下粘結(jié)磨損是主要的磨損形式。Abdoos 等[50]開(kāi)發(fā)了一種低殘余應(yīng)力的PVD 涂層并研究了涂層厚度對(duì)刀具磨損的影響，發(fā)現(xiàn)采用厚的涂層可以將刀具壽命提高35%，并得出10 μm厚度是最佳的。Tooptong等[51-52]通過(guò)干車(chē)削鑄鐵材料研究了無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具和多層涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損機(jī)理，發(fā)現(xiàn)針對(duì)蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵，無(wú)涂層硬質(zhì)合金刀具表面形成了一層粘結(jié)層，降低了后刀面的磨損，而多層涂層硬質(zhì)合金刀具后刀面磨損嚴(yán)重，如圖11 所示。Paiva 等[53]比較了3 種涂層系統(tǒng)（TiAlN/TiN、AlCrN、TiSiN/AlCrN）對(duì)鉆削過(guò)程的鉆削力、后刀面磨損、圓度和表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)結(jié)果比較分散，不能說(shuō)明哪種涂層系統(tǒng)具有更好的性能。Yamamoto等[54]通過(guò)電弧法超細(xì)陰極（SFC）沉積的方法制備了厚度達(dá)15 μm 的PVD 系列涂層，并將其運(yùn)用到蠕墨鑄鐵的車(chē)削加工中，有效延長(zhǎng)了刀具的使用壽命，在車(chē)削的精加工中，優(yōu)化后的涂層可將刀具壽命提高40%～60%。

圖11 無(wú)涂層與多元涂層刀具切削蠕墨鑄鐵（CGI）和球墨鑄鐵（FGI）的后刀面磨損對(duì)比

4 加工工藝對(duì)加工性能的影響

確定適當(dāng)?shù)募庸すに噮?shù)是獲得高質(zhì)量蠕墨鑄鐵高質(zhì)量加工表面的重要措施之一，蠕墨鑄鐵與灰鑄鐵等傳統(tǒng)金屬一樣，其加工性能必然受到加工參數(shù)的影響，加工參數(shù)通過(guò)影響加工過(guò)程中的切削力，進(jìn)而影響刀具壽命，通過(guò)影響加工界面的創(chuàng)成從而影響蠕墨鑄鐵的加工質(zhì)量。眾多圍繞加工參數(shù)改善蠕墨鑄鐵加工性能的研究已經(jīng)被開(kāi)展，且改善效果明顯。當(dāng)前研究的加工工藝參數(shù)大體可以歸納為：切削速度、進(jìn)給速度（進(jìn)給量）、切削深度，加工性能表征大體為：切屑形貌、切削力、刀具磨損、加工表面質(zhì)量（粗糙度、毛刺等）。

盧健林等[55]通過(guò)統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)車(chē)間加工蠕墨鑄鐵刀具的折斷情況并分析其原因，發(fā)現(xiàn)切削參數(shù)設(shè)置不合理是造成刀具折斷的最主要原因之一，轉(zhuǎn)速、進(jìn)給過(guò)快及過(guò)大的切削力均會(huì)導(dǎo)致刀具折斷。Su等[56]研究了蠕墨鑄鐵GJV450銑削過(guò)程中切屑形成過(guò)程和切屑形貌與切削速度和進(jìn)給速度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著切削速度或進(jìn)給速度的增加，切屑由鋸齒狀變?yōu)獒槧睿⑶抑芷谛源嘈詳嗔牙碚摽捎糜诮忉屼忼X狀切屑的形成機(jī)理，如圖12所示。Su等[57]又研究了硬質(zhì)合金刀具高速銑削蠕墨鑄鐵時(shí)加工參數(shù)對(duì)工件材料去除體積和入口側(cè)和出口側(cè)的毛刺高度的影響，發(fā)現(xiàn)加工參數(shù)對(duì)材料去除體積和毛刺高度都有影響，并得到了最佳的加工參數(shù)組合（切削速度800 m/min，進(jìn)給速度0.25 mm/r，出口角度60°）。之后Su等[58]研究了低速和高速銑削條件下工件材料去除體積對(duì)刀具磨損、銑削力和表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)在高速銑削條件下材料去除體積對(duì)銑削力的影響更大一些，但對(duì)總的銑削力影響較小，并且發(fā)現(xiàn)低速銑削條件下的前刀面磨損更嚴(yán)重一些。Niu等[59]研究了硬質(zhì)合金和陶瓷刀具高速銑削蠕墨鑄鐵時(shí)切削速度和每齒進(jìn)給量對(duì)銑削力、刀具磨損和壽命及切削表面完整性的影響，發(fā)現(xiàn)切削速度從400 m/min 增加到800 m/min 時(shí)硬質(zhì)合金刀具壽命迅速降低，且其主要磨損形式為粘結(jié)磨損和裂紋，而陶瓷刀具的主要磨損形式為擴(kuò)散磨損和氧化。Guo等[60]實(shí)驗(yàn)證明了隨著進(jìn)給速度和切削深度的增加，銑削蠕墨鑄鐵的切削力要遠(yuǎn)大于灰鑄鐵的切削力，因此造成蠕墨鑄鐵銑削時(shí)刀具壽命的大大縮短。Xu 等[61]基于自適應(yīng)神經(jīng)模糊系統(tǒng)（DE-ANFIS）建立預(yù)測(cè)模型用于預(yù)測(cè)蠕墨鑄鐵中刀具壽命與毛刺與切削參數(shù)（切削速度、進(jìn)給速度和切出角）的關(guān)系，并獲得更為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果。此外還通過(guò)正交分析得出切削速度和進(jìn)給速度分別對(duì)刀具壽命和毛刺高度影響最大。林勇傳等[62]基于硬質(zhì)合金涂層刀具高速銑削蠕墨鑄鐵（RuT400）的實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了加工參數(shù)與切削力的關(guān)系模型實(shí)現(xiàn)了切削力的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，其影響程度為：切削深度＞進(jìn)給速度＞切削速度，同時(shí)為了獲得較低的切削力和良好的加工效率，應(yīng)選用較小的切削深度，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給速度和較大的切削速度。Skvarenina 和Shin[63]采用激光輔助加工技術(shù)來(lái)加工蠕墨鑄鐵，研究切削深度和進(jìn)給速度對(duì)切削力、比切削力、表面粗糙度和刀具磨損的影響，發(fā)現(xiàn)激光輔助加工相比于傳統(tǒng)加工刀具壽命提升了60%，表面粗糙度改善了5%。Guo等[64-65]引入了可控低頻調(diào)制輔助加工技術(shù)用于高速加工蠕墨鑄鐵，發(fā)現(xiàn)在大于500 m/min速度下CBN刀具的磨損速率可大大降低，相比于傳統(tǒng)加工技術(shù)刀具壽命至少提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。但這些實(shí)驗(yàn)室技術(shù)尚未獲得大批量應(yīng)用。

圖12 加工參數(shù)（切削速度與進(jìn)給速度）對(duì)蠕墨鑄鐵加工切削尺寸的影響

冷卻液輔助工藝是近年來(lái)提升蠕墨鑄鐵加工性能的研究熱點(diǎn)，蠕墨鑄鐵加工過(guò)程中熱量的累積容易造成材料軟化粘刀，缺失MnS 的潤(rùn)滑作用，均是加劇刀具磨損的重要誘因，故在蠕墨鑄鐵加工中引入切削液、冷卻液等成為了提高其加工性能的重要研究思路之一，而其改善效果也被眾多學(xué)者證明。Feng 等[66]與Su 等[67]分別研究了不同切削液噴射壓力與噴射路徑對(duì)蠕墨鑄鐵表面加工完整性及刀具磨損的影響，并與干切削相比較，前者結(jié)果表明切削液可以減少表面缺陷并改善機(jī)加工表面光潔度，粗糙度降低的效果隨著流體壓力的增加而降低，在切削速度為100～500 m/min 的情況下，壓力為6 MPa 的切削液沿側(cè)面噴射的粗糙度Ra比干切削低0.2～1.56 μm。后者結(jié)果表明高壓切削液在減少沿刀具側(cè)面和前刀面噴射的刀具磨損方面效果明顯。刀具磨損隨切屑也噴射壓力的增加而明顯減少。與沿前刀面噴射相比，沿后刀面噴射的切削液可以更有效地減少后刀面的磨損。高壓切削液在較高切削速度下的磨損減少效果比較低切削速度下的磨損效果更明顯。肖曉東等[69]基于AdvantEdge 軟件對(duì)不同切削液壓力下車(chē)削蠕墨鑄鐵二維仿真分析，分析了高壓切削液的冷卻潤(rùn)滑機(jī)理，并建議使用5～18 MPa切削液壓力，可以在降低能耗的同時(shí)獲得良好的冷卻潤(rùn)滑效果。郭延闊[70]也利用AdvantEdge軟件進(jìn)行了不同切削速度和切削液壓力下切削蠕墨鑄鐵切削力、切削熱的有限元模擬分析并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，得到了切削液不同壓力和噴射路徑對(duì)刀具磨損、噴射路徑對(duì)蠕墨鑄鐵表面質(zhì)量（表面粗糙度和加工硬化）的影響規(guī)律。

此外，除傳統(tǒng)切削液外，不同的冷卻技術(shù)也被用于輔助蠕墨鑄鐵材料加工來(lái)降低刀具磨損速率和提升刀具壽命。同時(shí)由于綠色可持續(xù)發(fā)展的需要，部分學(xué)者多圍繞綠色清潔切削開(kāi)發(fā)一系列冷卻輔助技術(shù)，以進(jìn)一步提高蠕墨鑄鐵的加工性能同時(shí)降低環(huán)境污染。Tai等[71]和Kuzu等[72]研究了微量潤(rùn)滑技術(shù)（MQL）對(duì)蠕墨鑄鐵車(chē)削時(shí)的車(chē)削力、表面粗糙度、切屑形成和刀具磨損的影響，發(fā)現(xiàn)車(chē)削力降低了2%～5%，表面粗糙度降低了25%。Abele 和Schramm[73]研究了在大冷卻量液態(tài)二氧化碳冷卻條件下車(chē)削GJV-500 時(shí)PCD 刀具的鉆石顆粒大小和加工速度對(duì)磨損行為的影響，發(fā)現(xiàn)在合適的加工工藝參數(shù)和冷卻條件下刀具磨損速率較低，并且鉆石顆粒大小、粘合劑材料和加工工藝參數(shù)對(duì)刀具壽命都有影響。Wang等[74]研究了油膜覆水冷卻技術(shù)對(duì)車(chē)削蠕墨鑄鐵刀具磨損的影響，發(fā)現(xiàn)外冷型油膜覆水冷卻方式能最大程度上降低刀具磨損速率，并開(kāi)發(fā)了一種新的冷風(fēng)輔助油膜覆水冷卻技術(shù)可以大大降低刀具磨損速率和提升表面粗糙度。Fanning 等[75]進(jìn)行了未使用冷卻液、切削液冷卻、液氮冷卻輔助下的蠕墨鑄鐵與灰鑄鐵的切削效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明，液氮冷卻輔助可以降低切削最高溫度與溫度擴(kuò)散，有效延長(zhǎng)刀具壽命，分別比未使用冷卻液、切削液冷卻延長(zhǎng)192.6%和66.7%，如圖13（左）所示。王翔等[76]和林海生等[77]均利用油膜附水滴復(fù)合噴霧（OoW）作為蠕墨鑄鐵車(chē)削過(guò)程中的冷卻介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，前者證實(shí)了其在提高蠕墨鑄鐵加工性能、降低切削力方面具有較為顯著的作用，后者還得出不同硬質(zhì)涂層刀具需要與外冷復(fù)合噴霧的噴射位置相互匹配可有效降低切削力的結(jié)論。姚凱等[78]對(duì)比了干切削、MQL、微量油膜附水滴下輔助下的蠕墨鑄鐵車(chē)削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明微量油膜附水滴冷卻潤(rùn)滑技術(shù)在切削速度大于80 m/min時(shí)對(duì)切削力的影響更為顯著。Mohd等[79]進(jìn)一步研究不同冷卻方式對(duì)加工蠕墨鑄鐵用未涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損情況，提出了一種內(nèi)冷和MQL的復(fù)合冷卻方式，可比傳統(tǒng)的冷卻方式提升刀具壽命約26%，如圖13（右）所示。Li 等[80]則將MQL 運(yùn)用到蠕墨鑄鐵的鉆削研究中，并對(duì)比了不同參數(shù)MQL和干切削的加工性能，發(fā)現(xiàn)鉆削過(guò)程中鉆頭主要磨損是粘著磨損，通過(guò)測(cè)量鉆頭后刀面磨損證實(shí)了MQL輔助鉆削加工的可行性，如圖14所示。

圖13 不同冷卻方式下的蠕墨鑄鐵與灰鑄鐵切削刀具磨損對(duì)比圖

圖14 MQL與干切削輔助下的蠕墨鑄鐵鉆削刀具磨損對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于蠕墨鑄鐵加工，其加工機(jī)理遠(yuǎn)沒(méi)有完全揭示，特別是其加工過(guò)程中溫度、力、刀具磨損的機(jī)理。其加工性能與工件材質(zhì)、刀具結(jié)構(gòu)材質(zhì)涂層以及工藝參數(shù)之間的關(guān)系還沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的研究，刀具和工藝參數(shù)的選擇還沒(méi)有科學(xué)的方法，目前的研究還不能實(shí)現(xiàn)其高質(zhì)高效的加工。

在目前的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步研究蠕墨鑄鐵的加工機(jī)理，系統(tǒng)研究各影響因素包括其交互作用對(duì)于蠕墨鑄鐵加工性能的影響規(guī)律并進(jìn)行工藝優(yōu)化。輔助方式包括新型冷卻方式的使用、復(fù)合制造的介入等均是未來(lái)進(jìn)一步提升蠕墨鑄鐵加工性能的重要研究方向。