蠕墨鑄鐵刀具選擇及評價方法

馬偉，王櫻達，彭樂云，尹桂賓

1. 內燃機可靠性國家重點實驗室 山東濰坊 261061

2. 濰柴動力股份有限公司 山東濰坊 261061

1 序言

發(fā)動機作為特種車輛的核心動力來源，是特種車輛的核心設備之一，為提高發(fā)動機耐壓程度，發(fā)動機主體材料也由灰鑄鐵向蠕墨鑄鐵材料切換[1]，由于蠕墨鑄鐵材料的彈性模量高于灰鑄鐵并且熱導率低于灰鑄鐵，因此導致冷加工過程中的切削抗力、切削功率明顯升高，刀具磨損嚴重[2-4]，確定刀具在加工蠕墨鑄鐵時的評價指標在現(xiàn)代加工中備受 關注。

蠕墨鑄鐵材料因具有拉伸強度、彈性模量和抗疲勞強度高等力學性能優(yōu)異的特點，與輕量化、高效率的發(fā)動機要求相匹配，在汽車行業(yè)得到廣泛的應用[5]。但蠕墨鑄鐵良好的力學性能也極大地降低了其可加工性[6]，原因有以下幾點：①蠕墨鑄鐵熱導率僅為灰鑄鐵的78%，易積聚熱量導致刀具承受較高的溫度，疲勞磨損隨之加劇。②蠕墨鑄鐵的鐵素體含量遠高于灰鑄鐵，加工過程中刀具表面容易產(chǎn)生黏結磨損。③蠕墨鑄鐵的S含量比灰鑄鐵含量低，無法像灰鑄鐵一樣在切削刃上形成MnS潤滑層，導致刀具與工件接觸位點的摩擦系數(shù)升高。④蠕墨鑄鐵內含有Ti元素較多，加工過程中，元素之間會形成TiC、TiCN等硬質點，刀具的磨粒磨損也因此加重[7]。由此可見，在相同加工條件下，蠕墨鑄鐵的可加工性較差，特別是在高速連續(xù)切削過程中，相較于加工灰鑄鐵，刀具壽命明顯降低，大部分加工蠕墨鑄鐵的刀具壽命只能達到加工灰鑄鐵 的30%[8]。

蠕墨鑄鐵的微觀構型和內部石墨的形態(tài)使其具備了良好的力學性能，也成為其難加工的主要因 素[9，10]，MOHAMMED等通過仿真計算手段，進一步明確蠕墨鑄鐵所含的珠光體和鐵素體含量對切屑形狀、切削抗力、切削溫度分布和刀具磨損過程的影響[11]。NAYYAR等探究了鑄鐵材料類型對切削抗力、切削溫度分布和刀具磨損過程的影響，發(fā)現(xiàn)鑄鐵材料的種類對于切削溫度變化影響不大，但發(fā)現(xiàn)切削力的變化與鑄鐵材料類型相關性較大，并且在干切削條件下，刀具的黏結磨損是主要的磨損機理；在濕切削條件下，磨粒磨損是主要的磨損形式[12]。ABELE等選取3種刀具材料，分別設計車削灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵試驗，結果表明：切削灰鑄鐵時，刀具的切削刃表面會合成MnS潤滑層，但在切削蠕墨鑄鐵材料時，未發(fā)現(xiàn)刀具的切削刃表面形成MnS潤滑層，并且認為PCBN刀具不適合加工蠕墨鑄鐵材料，這一結論在其隨后的試驗中也獲得證實[13]。

2 鉆削試驗

2.1 試驗材料與裝置

試驗材料為RuT450型蠕墨鑄鐵樣塊，長500mm，寬500mm，厚50mm，與HT280灰鑄鐵主要物理參數(shù)對比見表1。

表1 室溫（23℃）RuT450和HT280材料的主要物理參數(shù)

試驗選用D938-A3C-0850鉆頭（D8.5mm×47mm×89mm×D10mm）。對樣塊進行連續(xù)鉆孔加工，鉆孔深度h=36mm，鉆孔數(shù)量n=500個。刀具切削力采集系統(tǒng)如圖1所示，在數(shù)控加工中心上進行鉆孔試驗。鉆孔過程中通過刀具切削力采集平臺采集鉆孔過程中的軸向力、切削力和彎矩數(shù)據(jù)。

圖1 刀具切削力采集系統(tǒng)

2.2 試驗過程

將鉆頭安裝到測力刀柄上，并將刀柄安裝在臥式加工中心上等待加工。編輯加工程序和加工參數(shù)，將鉆頭調整到起始位置。將測力儀計算機與測力刀柄進行無線匹配，測力刀柄采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔y力儀計算機。準備就緒后，開始鉆削試驗，測力計算機記錄每個孔加工過程中的軸向力、切削力和彎矩。鉆頭加工500個孔，收集數(shù)據(jù)并整理，觀察鉆頭磨損。鉆孔加工參數(shù)見表2，鉆孔樣塊如圖2 所示。

表2 鉆孔加工參數(shù)

圖2 鉆孔樣塊

3 試驗結果

通過所收集的數(shù)據(jù)得到鉆孔平均軸向力、平均切削力、平均彎矩分別如圖3～圖5所示，得到鉆孔過程軸向力、切削力、彎矩時間進程分別如圖6～圖8所示，鉆頭最終磨損如圖9所示。

圖3 鉆孔平均軸向力趨勢

圖5 鉆孔平均彎矩趨勢

圖6 鉆孔過程軸向力時間進程

圖8 鉆孔過程彎矩時間進程

圖9 加工至孔500時鉆頭磨損

圖4 鉆孔平均切削力趨勢

圖7 鉆孔過程切削力時間進程

4 討論與分析

由圖3～圖5可知，隨著鉆孔數(shù)量的增加，軸向力、切削力和彎矩整體呈現(xiàn)增大的趨勢。其中軸向力與鉆孔數(shù)量呈正相關，軸向力與鉆孔數(shù)量關聯(lián)度魯棒性強；平均切削力與鉆孔數(shù)量關系呈現(xiàn)先不變后增大的趨勢；平均彎矩與鉆孔數(shù)量關系呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢。

由圖6～圖8可知，鉆孔過程軸向力時間進程變化也較為穩(wěn)健，噪聲小、魯棒性強，可取其作為鉆頭評價的特征。

由圖9可知，最終鉆頭后刀面和韌帶呈現(xiàn)磨損，而鉆孔數(shù)量的增加會造成刀具的磨損，綜合分析軸向力是刀具磨損魯棒性最強的特征，可取其作為鉆頭評價的特征。

4.1 建立磨損反射區(qū)

對于單個鉆孔過程，可以將單個鉆孔軸向力時間進程曲線分為韌帶磨損反射區(qū)與綜合磨損反射區(qū)，如圖10所示。

圖10 韌帶磨損反射區(qū)與綜合磨損反射區(qū)的建立

4.2 定量化描述韌帶反射區(qū)

比較孔1的韌帶磨損反射區(qū)Ⅰ和孔500的韌帶磨損反射區(qū)Ⅱ，可以清楚地觀察到，隨著鉆孔數(shù)量的增加，韌帶磨損也隨之加劇，使得平均軸向力的韌帶磨損反射區(qū)的曲線產(chǎn)生明顯的變化，為了定量化描述韌帶的磨損，建立如下公式，即曲率

式中，K2為彎曲程度；Δφ為韌帶磨損反射區(qū)切線方向變化夾角（°）；Δs為韌帶磨損反射區(qū)弧長（mm）。

曲率計算模型如圖11所示。

圖11 曲率計算模型

具體計算步驟如下。① 選取韌帶磨損區(qū)定長圓弧。② 過圓弧起始點分別作出兩條垂線。③ 兩垂線交點即為圓弧的擬合圓圓心，垂線段長度即為擬合圓半徑，計算圓弧長度Δs。④ 過兩垂線與圓弧交點作圓弧切線，相交于一點，計算外角Δφ。⑤ 通過式（1）計算K2曲線的曲率。

以本文試驗為例，孔1的Δφ為7°，Δs為131.32mm，計算曲率K2得0.053；孔2的Δφ為49°，Δs為178.77mm，計算曲率K2得0.274。韌帶磨損越嚴重，曲率越大，曲率可以定量反映鉆頭磨損。

4.3 定量化描述綜合反射區(qū)

比較孔1的綜合磨損反射區(qū)Ⅲ和孔500的綜合磨損反射區(qū)Ⅳ，可以清楚地觀察到，整個過程中鉆孔平均軸向力是均勻增大的，為了更全面地反映鉆頭韌帶磨損之外的其他部位磨損，對綜合磨損反射區(qū)建立公式為

式中，K1為切削軸向力增長程度；Fn為第n個孔切削軸向力平均值（N）；F1為第1個孔切削軸向力平均值（N）。

5 結束語

本文通過刀具切削力采集系統(tǒng)平臺進行鉆孔試驗，并收集其軸向力、切削力和彎矩等數(shù)據(jù)。分析軸向力、切削力、彎矩與刀具磨損的關系，建立綜合反射區(qū)數(shù)學模型，描述鉆頭不同部位的磨損程度，使其可以評價鉆頭是否適合加工蠕墨鑄鐵，主要結論如下。

1）刀具磨損反映于加工軸向力，可以利用其評估鉆頭磨損程度。

2）鉆頭平均軸向力時間進程可以劃分為韌帶磨損反射區(qū)和綜合磨損反射區(qū)，并且可以建立相應的數(shù)學模型，反應其磨損程度。

20221108