蠕墨鑄鐵專用粗銑刀磨損機理及優選的研究

艾曉南 馬 偉 丁 澤 王 坤 張連杰 孟祥東

(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；③大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024)

隨著大功率柴油發動機性能要求的不斷提高，提升功率、減輕重量、縮小體積、降低燃油消耗及排放量成為柴油發動機的發展方向[1]。而蠕墨鑄鐵材料因具有高強度、高疲勞強度、高延伸率、高致密度和高熱穩定性等優點[2]，恰好符合新一代柴油發動機的發展需求。與傳統發動機缸體材料灰鑄鐵、鋁合金相比，蠕墨鑄鐵的抗拉強度、彈性模量和疲勞強度等力學性能都有較大提高[3]，將蠕墨鑄鐵用于制造發動機缸體可減小缸孔變形，實現薄壁化和輕量化[4]，因此蠕墨鑄鐵一躍成為制造柴油發動機缸體和缸蓋的理想材料。

加工蠕墨鑄鐵零件時刀具壽命大幅下降[5-6]。研究表明，當用蠕墨鑄鐵代替灰鑄鐵時，在高速連續切削條件下，刀具壽命降低10～20倍[7]。

目前國內大部分研究均是對蠕墨鑄鐵的材料性能、鑄造性能及鑄造控制進行研究，而對機械加工的研究較少[8-9]。實際生產中，加工蠕墨鑄鐵的刀具和切削參數大多是刀具廠商推薦的，生產效率較低，并且對于發動機缸體、缸蓋上的大面積平面的粗銑加工來說，市面上暫無蠕墨鑄鐵專用平面銑刀，因此會在加工過程中出現切削溫度高、潤滑效果差、刀具磨損過快等問題[10-12]，進而導致加工效率低下，加工表面質量無法保證，材料損耗快，生產成本大大提高。這些都大大影響了蠕墨鑄鐵的發展與推廣，也阻礙了柴油發動機的進一步提升。本文研究了針對蠕墨鑄鐵平面粗銑加工的專用銑刀。經過前期對蠕墨鑄鐵材料的切削研究，對比4款粗銑刀片，并對新刀具進行了現場驗證。

1 粗銑試驗

1.1 試驗設備和加工材料

選用德國海勒MCH350臥式加工中心進行干切削面銑試驗，使用貝斯特液壓夾具對工件進行夾持。使用放大倍率20～220倍，分辨率2 592×1 944的便攜式顯微鏡對工件和刀具進行現場觀察與檢測。

如圖1所示，工件采用某機型報廢機體，上平面已精銑完成，工件材質為Rut400，本體抗拉強度≥400 MPa，材料硬度為200～250 HBW。

1.2 試驗刀具

本次實驗所使用刀片為自主研發的4款刀片以及一款現用品牌的對比刀片，具體參數如表1。

表1 刀具參數

4款新刀片針對蠕墨鑄鐵材料的特殊性能開發了基體材料與涂層的專用刀片，如圖2所示，兩款槽型分別為GM大前角設計，切削輕快，GH高強度刃口，適于斷續切削。

Rut450-1全新超細顆粒硬質合金基體，Al2O3和MT-TiCN化學涂層，特殊表面后處理，提高樣品的耐磨，硬度較高。Rut450-2全新超細顆粒硬質合金基體，TiAlN物理涂層，韌性較強，同時具有良好的紅熱性。

1.3 粗銑試驗

按照表1順序，依次準備全新刀片，4款自主研發的刀片選用D160 F4033刀盤(刀盤齒數20)，現用品牌選用原裝D160刀盤(刀盤齒數24)。每個刀盤都只對稱安裝4個刀片，為防止混裝，在刀盤對應刀夾處標記序號，如圖3所示。

首先進行GMRUT450-1刀具切削試驗，按照表2加工參數、圖1加工軌跡開始試切。機體頂面缸孔處存在斷續加工情況，采用順銑方式。每個工件可加工8層，最后兩層工件較薄，存在振動情況。

表2 工藝參數

批量工藝粗銑切深一般在5 mm，所以本次試驗每切兩層(即Z軸進給5 mm)計算為一個工件，試切暫停，拆下刀片用顯微鏡觀察并記錄后刀面磨損Vb，記錄完后按序號重新裝在刀盤對應位置。

設定后刀面磨損量Vb=0.2 mm為換刀標準，正常磨損情況下，4個刀片中Vb值最大的到達0.2 mm即停止加工，記錄當前刀具壽命。若試驗過程中出現兩個以上刀片崩刃，即停止加工，記錄當前切削次數為最終壽命，僅出現1個刀片崩刃情況，可替換新刀片繼續加工。

完成GMRUT450-1刀片試切后，按照上述步驟進行GMRUT450-2刀片試驗，因自主研發的剩余兩款刀片僅槽型發生變化，基體材料及涂層與前兩款完全相同，為節省試驗資源提高效率，根據前兩個刀片試驗結果僅選擇GHRUT450-1或者GHRUT450-2其中之一進行試切。

為了對比專用刀片與現用刀片加工性能，按照上述步驟進行現用WEIN2004刀片試驗。

2 結果與分析

2.1 試驗刀具結果分析

試驗中，同時將4個相同種類刀片安裝在刀盤上進行試切，每切兩層觀察一次，每次觀察取磨損量最大及發生崩刃的刀片進行記錄和分析。試驗分別使用了GMRUT450-1、GMRUT450-2和GHRUT450-2這3款自主研發刀片進行試切，以及一款現用刀片進行對比。經觀察、分析和總結后，發現3款自主研發刀片的刀具壽命均在現用刀片的基礎上有所提高。

表3 刀片磨損數據

如表3和圖4所示，自主研發刀具的刀具壽命均是現用刀具壽命的2倍以上，自主研發刀具有效降低了刀具磨損，降低生產成本。但3款自主研發刀具之間依然存在加工差異，接下來對每一款刀具進行分析。

現用刀片WEIN2004進行對比試驗，磨損數據見表3，加工第6層，Vb值為0.106 mm，但1、2、3號刀片均出現一定程度崩刃，試驗停止，記錄該壽命為6層。

跟蹤記錄GMRUT450-1刀片每切削2層后刀面磨損量與崩刃情況，其中第2層、第8層、第16層磨損情況如圖5所示。

加工至第16層，1號刀片、2號刀片出現崩刃，按照規則停止試驗。剩余刀片最大磨損量為4號刀，Vb值為0.188 mm。

GMRUT450-1刀片進行蠕墨鑄鐵平面銑削加工時，刀具壽命為16層，是現用刀具壽命的2.67倍，但由于其刀具涂層為Al2O3、MT-TiCN化學涂層，硬度較高，加工過程中，在達到壽命極限時已發生崩刃，容易對工件和刀桿造成損傷。

跟蹤記錄GMRUT450-2刀片每切削2層后刀面磨損量與崩刃情況，其中第2層、第12層、第22層刀具磨損情況如圖6所示。

磨損數據見表3，加工至第22層時，所有刀片磨損Vb都達到0.2 mm以上，最大值出現在1號刀片。整個過程中未出現崩刀情況。

GMRUT450-2刀片進行蠕墨鑄鐵平面銑削加工，刀具壽命為22層，是現用刀具壽命的3.66倍，刀片涂層為TiAlN物理涂層，韌性較強，磨損量增長平緩，不會出現較大沖擊，不易發生崩刃現象。

根據試驗結果，進一步選擇與GMRUT450-2相同基體材料和涂層的GHRUT450-2繼續試驗，跟蹤記錄每切削2層后刀面磨損量與崩刃情況，其中第2層、第10層、第16層刀具磨損情況如圖7所示。

磨損數據見表3，加工第16層，所有刀片磨損Vb都達到0.2以上，最大值出現在1號刀片。

這款刀片為GH槽型(高強度刃口，適于斷續切削)、TiAlN物理涂層的GHRUT450-2刀片，即在第二把刀的基礎上僅改變槽型進行試驗，試驗結果為，刀具壽命16層，是現用刀具壽命的2.66倍。因此，大前角(GM槽型)設計的槽型更適用于進行蠕墨鑄鐵的銑削加工。

根據試驗結果，GMRUT450-2刀片加工壽命最好，采用該刀片重復試驗一次，與原結果一致。

2.2 粗銑刀具失效形式及機理分析

利用掃描電鏡(SEM)及能譜分析儀(EDS)觀察更換后的GMRUT450-2刀片，對刀具失效機理進行深入分析。

對前刀面微觀形貌及成分進行分析，從圖8中可發現，前刀面在刃口處存在粘接，分布較均勻，未出現明顯崩刃情況。對粘接區域b處進行EDS分析，主要化學成分為Fe、Si、C，且3種元素質量分數和原子分數總和均接近100%，這些成分主要來自于被加工材料，由此可見，蠕鐵粗銑前刀面主要失效模式為鐵屑粘接。

對后刀面觀察分析，磨損均勻未出現明顯崩刃現象，如圖9所示。從微觀形貌上發現明顯的溝槽及粘接現象，對粘接處進行能譜分析，主要元素為Fe、Cr、Si、Mn，刀具材料中不存在這些元素，主要來自于被加工材料，判斷后刀面主要失效模式為磨粒磨損伴隨著鐵屑粘接。

3 結語

(1)根據試驗結果，GMRUT450-2刀片進行蠕墨鑄鐵銑削加工，刀片壽命是現用刀片壽命的3.66倍，大大降低加工成本。

(2)韌性更強的TiAlN物理涂層在蠕墨鑄鐵銑削加工中適應性更好，能有效降低刀具磨損，緩解刀具崩刃的情況發生。

(3)槽型對刀片壽命影響較大，需要根據不同工況開發專用槽型，試驗結果表明，大前角槽型更適合蠕墨鑄鐵粗銑加工。

(4)蠕墨鑄鐵粗銑加工，刀具主要失效形式為前刀面粘接磨損，后刀面磨粒磨損伴隨粘接磨損。