一種典型多槽球墨鑄鐵工件的粗加工優(yōu)化

衛(wèi)宇清

摘 ?要：文章通過對(duì)某一典型中規(guī)格球墨鑄鐵零件的粗加工工藝優(yōu)化，總結(jié)了類似零件的工藝優(yōu)化思路和刀具選用，并提出了適合多槽類零件的有效進(jìn)刀策略。

關(guān)鍵詞：球墨鑄鐵;銑削;進(jìn)刀策略;刀具涂層

中圖分類號(hào)：TG54 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）15-0100-02

Abstract： In this paper， by optimizing the rough machining process of a typical medium specification ductile iron part， the idea of process optimization and tool selection of similar parts are summarized， and an effective feeding strategy suitable for multi-groove parts is put forward.

Keywords： ductile iron; milling; feed strategy; tool coating

1 概述

球墨鑄鐵QT600-3具有中高等強(qiáng)度、中等韌性和塑性、綜合性能較高、耐磨性和減振性良好、鑄造工藝性能良好等特點(diǎn)[1]，應(yīng)用于某種電梯零件。該類零件總體外形呈圓環(huán)狀，外圓面需加工數(shù)量眾多的淺槽，由機(jī)夾式銑刀銑削加工。

由于零件材質(zhì)耐磨性好，提升其機(jī)械加工效率往往伴隨刀具壽命的大幅降低。

在高速切削鑄鐵的過程當(dāng)中，切削參數(shù)、走刀方法、路徑形式等方面對(duì)刀具壽命、加工效率影響較大[2]，為達(dá)成優(yōu)化效果，需要針對(duì)典型零件進(jìn)行試驗(yàn)，以確定刀具材質(zhì)以及各項(xiàng)工藝參數(shù)。

2 典型零件的切削過程優(yōu)化

2.1 零件和工藝概況

2.2 切削參數(shù)提升試驗(yàn)

由于原工藝中只使用一次走刀，切寬和切深均已達(dá)到最大值。因此切削效率的提升必須依賴切削參數(shù)即Vc和fz的提升。

制定工藝試驗(yàn)測(cè)試刀片的可用線速度。為降低試驗(yàn)周期，刀桿上只裝1片刀片，并采用材質(zhì)相同但走刀路徑更長的另一種零件作為試樣，F(xiàn)z=0.15維持不變，使刀片分別在Vc=100m、150m、175m和200m線速度下加工同樣長度的路徑Lc=10m后，考察刀片的平均后刀面磨損量Vb。為防止刀片熱裂影響壽命，該試驗(yàn)使用干式切削。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，其中Vc=200m時(shí)刀具在切削了大約7m后產(chǎn)生了大量火星，卸下后觀察其Vb已經(jīng)大于0.5mm，屬于過度磨損。綜合試驗(yàn)結(jié)果，該刀片的可用線速度極限大致在Vc=150～175m/min的范圍。

2.3 進(jìn)退刀策略的影響與優(yōu)化

槽數(shù)眾多是目標(biāo)零件的一個(gè)顯著特點(diǎn)，整個(gè)刀路中共有60次切入切出的過程。國內(nèi)外學(xué)者在刀具切人方式的選擇上做了很多研究。其中一個(gè)共識(shí)即要盡可能使刀具運(yùn)動(dòng)軌跡保持平穩(wěn)與光滑，同時(shí)盡可能采用順銑方式[3]。而另一個(gè)共識(shí)則是刀刃切出零件處的切屑厚度越薄則越有利于刀具壽命，這也是順銑有利于提升刀具壽命的主要原因。

由于采用了Ae=Dc的滿槽銑，刀刃切入和切出側(cè)的切屑厚度均為零。即使如此，刀具在切入和切出的過程中，還是不可避免的產(chǎn)生厚切屑。在本零件上，切入切出的總路徑長度占總進(jìn)給長度的24%左右，因此切入切出過程即進(jìn)退刀策略對(duì)刀具壽命的影響不能忽略。

設(shè)計(jì)對(duì)照試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)退刀策略對(duì)刀具壽命的影響。切削參數(shù)Vc=175m/min、fz=0.15mm，干式切削。對(duì)照組如圖2（a）采用直線方式進(jìn)刀，試驗(yàn)組如圖2（b）采用滾入式進(jìn)刀，刀具在工件邊緣按1/4圓弧路徑順時(shí)針切入工件，可見此方式通過增加少量走刀路徑避免了厚切屑的出現(xiàn)。切出過程由于厚切屑無法避免，因此試驗(yàn)組降低50%進(jìn)給量觀察效果。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，使用了優(yōu)化進(jìn)退刀策略的試驗(yàn)組切削2件工件后刃口的磨損情況甚至優(yōu)于對(duì)照組只切削1件工件后的刃口狀況，可見優(yōu)化后的進(jìn)退刀策略帶來的效果非常顯著。

2.4 冷卻液對(duì)刀具壽命的影響以及新材質(zhì)的選用

在之前的試驗(yàn)中，基本都采用了干式或空冷加工。然而在試驗(yàn)成果的推廣過程中，出現(xiàn)了部分設(shè)備主軸溫度過高的問題。觀察發(fā)現(xiàn)由于單一刀具連續(xù)加工時(shí)間過長，導(dǎo)致切削熱累積并沿刀體傳導(dǎo)觸發(fā)主軸溫度傳感器。同時(shí)干式切削也會(huì)引起加工區(qū)域粉塵過大的次生問題。

試驗(yàn)冷卻液對(duì)刀具壽命的影響。設(shè)置參數(shù)為Vc=175m/min、fz=0.15mm，采用滾入式進(jìn)刀，對(duì)比冷卻液與干式加工對(duì)刀具壽命的影響。

使用冷卻液的情況下，刀具在加工第2件時(shí)即出現(xiàn)崩刃，而干式加工條件下加工至第7件后刃口Vb到達(dá)0.3左右，磨損形式比較穩(wěn)定和理想。

可見在較高線速度條件下，冷卻液極易造成CVD涂層刀片的熱裂過早失效。

在抵抗熱裂方面PVD涂層的刀片具有明顯優(yōu)勢(shì)。不過其在極限線速度上有所落后。相關(guān)研究表明含有TiAlN涂層在球墨鑄鐵銑削具有壽命優(yōu)勢(shì)[4]，因此設(shè)計(jì)試驗(yàn)比較含TiAlN PVD涂層刀具，試驗(yàn)各涂層在濕切削工況下的磨損情況。

試驗(yàn)選取MK2050、MH1000兩種涂層刀片參照2.2節(jié)試驗(yàn)方法在濕切削條件下進(jìn)行壽命試驗(yàn)，最終MK2050在Vc=150m/min線速度下有接近CVD刀片的壽命表現(xiàn)。

3 結(jié)論

3.1 優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過優(yōu)化試驗(yàn)和測(cè)試，最終選定PVD涂層刀片SECO XOMX090308TR-M08 MK2050，切削參數(shù)定為Vc=150m/min、fz=0.15mm，采用滾入式進(jìn)刀，濕切削。單件加工時(shí)間10.3min、刃口壽命7pcs。相較原工藝，加工時(shí)間減少了23.7%，刀具壽命提升了1倍左右。

3.2 對(duì)于類似零件的加工建議

滾入式進(jìn)刀策略能消除進(jìn)刀時(shí)產(chǎn)生的厚切屑，降低沖擊。對(duì)于有較多進(jìn)刀過程的工序，使用該策略能顯著提升刀具壽命。即使是一般工件，只要結(jié)構(gòu)和空間允許，建議所有的粗加工均采用該策略。

對(duì)于球墨鑄鐵粗加工，優(yōu)先選擇CVD涂層刀具進(jìn)行干式加工以獲取更高的線速度。

由于溫度、粉塵、排屑等原因使干式加工受到制約的條件下，可采用含有TiAlN的PVD涂層刀片進(jìn)行濕加工，不過極限線速度可能有所降低。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬志龍，張偉，等.國產(chǎn)直槽鉸刀和進(jìn)口復(fù)合鉸刀加工球墨鑄鐵的對(duì)比試驗(yàn)[J].機(jī)床與液壓，2014（10）：48-49.

[2]吳世雄，等.不同走刀方式高速銑球墨鑄鐵的刀具磨損研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016（5）：91-93.

[3]賀戰(zhàn)濤.高速銑削時(shí)生成刀具軌跡的優(yōu)化設(shè)置[J].工具技術(shù)，2002（12）：35-37.

[4]W.Grzesik，J.Rech，K.Zak，C.Claudin.Machining performance of pearlitic-ferritic nodular cast iron with coated carbide and Silicon nitride ceramic tools[J].Machine Tools & Manufacture，2009.49：125-133.