Al2O3-TiC复合陶瓷刀具干切削RuT450表面质量研究*

时间：2024-07-28

林勇传，冀全鑫，赖德斌，周宇峰，韦珏宇

(1.广西大学机械工程学院，南宁 530004；2. 东风柳州汽车有限公司，广西柳州 545005)

0 引言

随着蠕墨铸铁的铸造工艺的不断完善[1-2]，蠕墨铸铁已广泛应用于发动机及汽车零部件制造上，具有巨大的发展潜力[3]。然而蠕墨铸铁虽具有良好的综合性能[4]，但其加工性能相较于其他铸铁材料却是最差的[5]。因此如何科学有效的针对各牌号蠕墨铸铁进行加工成为了新的难题。

为了提高蠕墨铸铁加工性能，国内外研究的主要是在切削温度，刀具磨损，蠕化剂等方面[6-8]，但对蠕墨铸铁加工表面质量的研究较少。其中，文献[9]采用TiAlN涂层和无涂层硬质合金刀具对蠕墨铸铁进行铣削加工，构建了切削用量对切削力和表面粗糙度的多因数交互的回归模型。结果表明，涂层刀具加工寿命较长，不易崩边，能承受较高转速，获得更好的表面粗糙度和加工效率。文献[10]通过实验及仿真发现,涂层和未涂层硬质合金刀具铣削蠕墨铸铁时的后刀面磨损趋势基本一致,但涂层刀具的铣削温度低,且加工面具有较小的表面粗糙度。文献[11]对PCBN刀具车削RuT400时的切削性能进行了研究，探究了不同切削参数、刀尖圆弧半径下的刀具磨损以及表面粗糙度，发现PCBN刀具切削蠕墨铸铁的最佳的切削速度在Vc=340～500 m/min之间；加工工件的表面粗糙度会随着PCBN刀具圆弧半径的增加而先减小后增大，当PCBN刀具刀尖圆弧半径为0.8 mm时，能获得最小的表面粗糙度。文献[12]通过对蠕墨铸铁RuT400的铣削加工建立起DE-SVM模型，可预测加工零部件的表面粗糙程度是否满足实际生产要求。

目前，国内对蠕墨铸铁加工的研究主要在RuT400及以下牌号，对高牌号RuT450的研究则是寥寥无几；加工蠕墨铸铁的刀具则集中于传统单一涂层(TiCN、TiAlCN)的硬质合金刀具或PCBN类刀具，对复合涂层及陶瓷类刀具切削蠕墨铸铁的研究亦是不多。因此本文将基于正交试验，采用涂层Al2O3-TiC复合陶瓷刀具、无涂层Al2O3-TiC复合陶瓷刀具对高牌号RuT450进行车削加工，探究涂层和切削参数对工件表面质量的影响及机理，为复合陶瓷刀具切削RuT450提供理论依据。

1 试验过程

本次试验选用的工件材料为蠕墨铸铁，牌号为RuT450，材料化学成分如表1所示。试验前将其加工成φ90×180 mm的圆形试棒。

表1 蠕墨铸铁RuT450主要化学元素成分

刀具选用京瓷(KYOCERA)切削工具集团生产的多元氮化物涂层Al2O3-TiC复合陶瓷刀具、无涂层Al2O3-TiC复合陶瓷刀具，切削刀具参数如表2所示。

表2 实验刀具种类及性能参数

切削试验平台为CY-K360n/1000数控机床，试验采用干式切削。粗糙度测量装置选用日本生产的SJ-310粗糙度测量仪作为粗糙度测量装置。采用某公司生产的MH660数字式便携硬度计对加工后RuT450的表面硬度进行测量。切削过程如图1所示。

图1 切削加工过程

选用三因素三水平的正交表进行蠕墨铸铁的车削实验。对加工初期(切削时间t1约为1～10 s)及末期(t2约为50～60 s)加工段内随机5个位置(工件共绕回转中心旋转一周)的表面粗糙度及硬度进行检测，并取平均值作为某参数组合下工件的表面粗糙度及硬度。L9(34)正交试验表如表3所示。

表3 L9(34)正交试验表

2 结果与分析

2.1 涂层对表面粗糙度及硬度的影响

正交实验方案下涂层/无涂层陶瓷刀具切削蠕墨铸铁RuT450的表面粗糙度、硬度如表4所示。

表4 涂层/无涂层陶瓷刀具表面粗糙度和硬度值

图2 涂层/非涂层陶瓷刀具初、末期粗糙度及变化值

由表4和图2可知，涂层/无涂层陶瓷刀具在各参数下的表面粗糙度与硬度基本一致。无涂层陶瓷刀具的初-末期表面粗糙度值变化(末期表面粗糙度值与初期粗糙度值之差)较大，说明涂层陶瓷刀具切削的一致性较好。相比涂层刀具，无涂层刀具磨损较大，基体磨损形貌更为不平整，是表面粗糙度增大的重要原因。涂层/无涂层陶瓷刀具加工后的表面硬度值差异性较小，说明两种刀具所产生的切削温度对基体相变、“淬火”影响程度基本一致。

2.2 极差分析

在极差分析中，Ki表示任一列水平号为i(本实验i=1,2,3)时，所对应的实验结果之和。因素对指标的影响程度与极差R有关，R越小，则相应因素对指标量的影响程度越小[13]。

从图3中可知切削参数对RuT450表面粗糙度影响程度：B(进给速度)>A(切削速度)>C(背吃刀量)，最优水平组合是B1A3C2。即在给定的切削参数范围下，进给速度(f=0.05 mm/r)、切削速度(Vc=400 m/min)、背吃刀量(ap=1 mm)时能获得最为良好的表面粗糙度。同时我们从图4得出，切削参数对表面硬度影响程度：A(切削速度)>C(背吃刀量)>B(进给速度),背吃刀量和进给速度对表面硬度几乎没什么影响。

图3 表面粗糙度极差分析

图4 表面硬度极差分析

2.3 切削参数对表面粗糙度及硬度的影响

ki表示任一列上因素取水平i时所得实验结果的算术平均值。将因素水平作为横坐标，以它对应的试验指标平均值ki为纵坐标做出趋势图，可以很容易看出指标随因素数值增大时的变化趋势[13]。

2.3.1 切削速度对表面粗糙度及硬度的影响

绘制切削速度-表面粗糙度及硬度变化趋势(Vc-Ra/HL)曲线，如图5所示。

图5 切削速度-表面粗糙度及硬度变化趋势

由图5可知，表面粗糙度随着切削速度的增加而降低，其变化规律基本符合传统加工中脆性材料的表面粗糙度与切削速度之间关系的结论。当切削速度由100 m/min提升至200 m/min，表面粗糙度的减少较为明显，主要原因为以下三个方面：首先，由文献[14]可知，随着温度的增加，蠕墨铸铁的延伸率受严重的应变硬化(碳化物沉淀)的影响先减小后增加，转折温度300 ℃。在Vc=200 m/min时检测到刀具平均温度为330 ℃左右，而切削区域温度约为刀具平均温度的1.3～2倍。高温下，蠕墨铸铁RuT450的抗拉强度、延伸率急剧减小，塑性变形能力得到极大加强；此外，多元氮化物涂层的氧化温度约为1000 ℃，涂层刀具仍保持良好的硬度及强度；最后，切削速度的提升减少了刀具与单位体积金属之间的摩擦。而表面硬度随着切削速度增加而增加，切削产生的高温是硬度增加的主要原因。

2.3.2 进给速度对表面粗糙度及硬度的影响

绘制进给速度-表面粗糙度及硬度变化趋势(f-Ra/HL)曲线，如图6所示。

由图6可知，表面粗糙度在进给速度f=0.05 mm/r～0.1 mm/r范围内变化不大，而在f=0.1 mm/r～0.2 mm/r范围内急剧增加。急剧增加的主要原因是刀具圆弧半径-进给速度交互作用下的工件表面残留物高度的增加；除此之外，采用大进给速度对机床稳定性提出了更高的要求，加工过程中的不规则振动使表面粗糙度增加。但小进给速度(f=0.05 mm/r)却无法明显减少表面粗糙度，一方面是由于部分切削刃对已加工表面进行二次加工，使得已加工表面受到更多摩擦；另一方面则是石墨在刀尖挤压作用下易发生破裂，出现微裂纹。经计算，f=0.05、0.1、0.2 mm/r的理论粗糙度分别为：0.39 μm、1.56 μm、6.25 μm。通过计算可知，f=0.05 mm/r时的实际表面粗糙度与理论粗糙度Ra理论的结果最为相近，而f=0.1、0.2 mm/r时的理论粗糙度Ra理论则偏大，高温下金属塑性能力的增加是实际粗糙度偏小的主要原因。而表面硬度基本不随着进给速度的变化而变化。

图6 进给速度-表面粗糙度及硬度变化趋势

2.3.3 背吃刀量对表面粗糙度及硬度的影响

绘制背吃刀量-表面粗糙度及硬度变化趋势(ap-Ra/HL)曲线，如图7所示。

图7 背吃刀量-表面粗糙度及硬度变化趋势

由图7可知，表面硬度基本不随着背吃刀量的变化而变化，而表面粗糙度随背吃刀量的增加先减小后增加。当背吃刀量较小(ap=0.5 mm)时，在刀具挤压、摩擦下易形成崩碎型切屑，造成脆性材料表面的不规则破裂。当背吃刀量ap=0.5 mm～1 mm时，热软化作用使材料塑性增强，表面粗糙度略有下降。而较大的背吃刀量(ap≥1 mm)时，由于加工过程中切削振动、切削力激增使摩擦、挤压作用更严重，表面粗糙度再次增加。