復合涂層刀具加工RuT500的銑削力研究及參數優化

李偉柱，侯彥辰，冀全鑫，賴德斌，李勝柱，林勇傳

(1.廣西大學機械工程學院，廣西南寧 530004；2.廣西玉柴機器配件制造有限公司，廣西玉林 537005)

0 前言

蠕墨鑄鐵(CGI)因具備優良的鑄造性能和導熱性，在汽車行業廣泛應用[1-3]。然而盡管蠕墨鑄鐵具有優良的綜合性能[4]，但和其他鑄鐵材料對比其銑削加工性能較差[5]，特別是高牌號材料，在加工過程中形成的過大銑削力明顯影響加工精度、刀具壽命等，阻礙了蠕墨鑄鐵大規模的生產應用[6-7]，因此有必要對高強度蠕墨鑄鐵的銑削力展開研究。

蘇瑞[8]利用涂層硬質合金刀具銑削蠕墨鑄鐵時發現，低速銑削時銑削力隨著銑削速度的增大會減小，高速銑削時銑削速度對銑削力的影響不大。牛佳慧[9]研究發現，涂層硬質合金刀具和氮化硅陶瓷刀具銑削蠕墨鑄鐵時，銑削力隨著進給量的增大而增大，隨著銑削速度的增大表現為先增大后減小的趨勢。張玉玲[10]對Sandvik H13A無涂層刀具與GC1020涂層刀具進行試驗分析，得出無論是有涂層或者非涂層，隨著背吃刀量的增加，銑削力均呈線性增加的趨勢。于法冒[11]進行了PCBN刀具銑削蠕墨鑄鐵的試驗，發現銑削力隨進給量變化明顯：在小進給量條件下，銑削力隨銑削速度的增加而增大，在大進給量條件下則變化不明顯。

綜上所述，在蠕墨鑄鐵加工過程中，刀具涂層及銑削參數對切削力影響顯著。因此，本文作者基于單因素實驗法，研究了TiAlN/AlCrN復合涂層硬質合金刀具和TiCN/Al2O3復合涂層硬質合金刀具銑削高牌號RuT500時銑削力的變化規律，分析了銑削參數和涂層對RuT500銑削力的作用，并利用響應曲面法進一步討論了銑削參數交互作用對銑削力的影響。最后本文作者還進行了銑削參數優化，以獲取加工過程的合理銑削力。

1 試驗流程

1.1 工件材料

試驗選用的工件材料由廣西玉柴機器配件制造有限公司制備，其化學成分如表1所示。試樣在試驗前加工為長80 mm、寬75 mm、高50 mm的長方體試塊。

表1 蠕墨鑄鐵RuT500主要化學元素成分

1.2 試驗設備

銑削試驗選用的機床是大連機床集團公司生產的VDL-600A立式加工中心，試驗采用干式銑削，如圖1所示。

圖1 銑削試驗設備

表2 試驗刀具

表3 刀具參數

1.3 試驗設計

此次試驗測定的銑削力是作用在工件上的力，它可以分化為3個互相垂直的分力：切向力Fx、進給力Fy、徑向力Fz。銑削力F表示為

(1)

通過設計單因素試驗比較不同參數下的銑削力F變化，來表示蠕墨鑄鐵RuT500的銑削性能。試驗設計方案如表4所示。此次銑削力試驗主要從銑削參數、刀具涂層等方面分析蠕墨鑄鐵RuT500的銑削力。

表4 試驗設計方案

2 試驗分析

2.1 涂層對銑削力的影響

根據試驗結果，繪制各涂層刀具-銑削力的變化趨勢曲線，如圖2所示。

圖2 各涂層刀具與銑削力之間變化趨勢

由圖2可知：從涂層沉積工藝分析來看，采用物理氣相沉積的TiAlN/AlCrN復合涂層硬質合金刀具銑削力整體上小于化學氣相沉積的TiCN/Al2O3復合涂層硬質合金刀具。因此在加工過程中，TiAlN/AlCrN復合涂層硬質合金刀具產生的銑削熱比TiCN/Al2O3復合涂層硬質合金刀具產生的銑削熱少。這是因為TiAlN/AlCrN復合涂層硬質合金刀具沉積溫度低，工藝過程對刀具材料幾乎無影響，并不會造成基體的退火軟化；同時，TiAlN/AlCrN復合涂層硬質合金刀具相較于TiCN/Al2O3復合涂層硬質合金刀具來說摩擦因數低，耐磨性好，更有利于切屑的排除，增加抵抗磨損的能力；此外，化學氣相沉積工藝相較于物理氣相沉積工藝，涂層具有更高的厚度。涂層較薄的TiAlN/AlCrN復合涂層硬質合金刀具切削刃的幾何形狀改變小得多，能夠盡可能地保留切削刃的鋒利程度，從而減小了銑削力。

PVD工藝生產的TiAlN/AlCrN復合涂層硬質合金刀具雖然沒有將Al2O3直接沉積到刀具涂層中，但TiAlN是通過將Al原子植入TiN的晶體內，最終構成無間隙、完整的晶體組合。在加工過程中，刀具表面會產生一層非晶態的致密Al2O3薄膜，當Al2O3層遭受磨損時，存在于TiAlN中的Al會再次被氧化形成新的Al2O3層，保障了刀具在高溫、高速環境下正常工作。

2.2 銑削參數對銑削力的影響

2.2.1 銑削速度vc對銑削力的影響

繪制銑削速度-銑削力的變化趨勢(vc-F)曲線，如圖3所示。

2.2.1 aEEG 重度的aEEG異常例數為10例，其預測神經系統不良預后的靈敏度為61.5%，特異度為96.3%，陽性預測值為80%，陰性預測值為91.2%。Logistic回歸分析顯示，aEEG檢查結果重度異常者出現神經系統不良預后風險較高(OR=35.322，95%CI為3.002～415.538，P<0.05)。

圖3 銑削速度與銑削力之間變化趨勢

由圖3可知：銑削力跟隨銑削速度的變化不大。主要是由于單位時間內隨著銑削速度的增大金屬去除率增大，單位時間內刀具受到的應力也隨著增大，刀具磨損程度增大，導致銑削力增大；同時，單位體積金屬與刀具接觸時間減少，金屬的應變硬化作用導致銑削力增加。但隨著銑削速度的增大，前刀面上摩擦因數減小，剪切角增大，變形系數減小，導致銑削力減??；同時，當銑削速度增大，會產生大量的銑削熱使得材料“軟化”。熱軟化效應會致使材料強度和硬度降低，不僅能夠顯著減小刀具、刀尖對工件的反作用力，還可以減小刀具切入時的剪切力與摩擦力[12-13]。

2.2.2 背吃刀量ap對銑削力的影響

繪制背吃刀量-銑削力的變化趨勢(ap-F)曲線，如圖4所示。

圖4 背吃刀量與銑削力之間變化趨勢

由圖4可知：隨著背吃刀量的增大銑削力會增大。首先當背吃刀量增大時，銑削寬度增大，單位去除量加大，切屑、切削刃與工件之間的接觸面積增大，銑削力也會增加；再者，更大的背吃刀量容易導致刀具的磨損和刀尖鈍化，從而導致銑削加工時，鈍化和磨損的刀具對工件的擠壓作用增強，使得銑削力增大。

2.2.3 進給量f對銑削力的影響

繪制進給量-銑削力的變化趨勢(f-F)曲線，如圖5所示。

圖5 進給量與銑削力之間變化趨勢

由圖5可知，隨著進給量的增大銑削力會增大，但整體變化幅度不如背吃刀量顯著。當進給量在0.1～0.15 mm之間時，銑削力會隨著增大。因為一方面當進給量增大時，銑削面積會隨著增大，使變形抗力增大，因此摩擦力和變形力也隨著增大，單位時間內金屬去除率增大，刀具切削刃的磨損和崩壞加大，從而銑削力也會增加；另一方面，進給量的增加會增加散熱，弱化金屬的熱軟化效應。當進給量在0.15～0.25 mm之間時，銑削力增加趨勢變緩。這主要是因為切削層公稱厚度與進給量成正比關系，當進給量越大，切削層公稱厚度也就越大，切屑的變形隨之較小，從而銑削力的增長趨勢隨之變緩。

由圖3—5可知：高強度蠕墨鑄鐵RuT500的銑削力隨著背吃刀量的變化會產生較大的變化，隨著銑削速度的變化產生的變化最小，表明背吃刀量對RuT500的銑削力影響最顯著，進給量f次之，銑削速度對其影響最小。

2.3 交互作用分析對銑削力的影響

在銑削加工過程中，除了單一因素外，因素之間的交互作用對銑削力也有很大的影響[14-15]。通過銑削參數與銑削力的二階映射數學模型生成銑削力響應曲面，進一步分析銑削參數交互作用對銑削力的影響規律，為后續的銑削加工提供理論依據。

二次響應曲面法模型表達式為

ε(i,j=1,2,3,…,k)

(2)

采用TiCN/Al2O3復合涂層硬質合金刀具表現更好，二階擬合回歸方程為

該預測模型的R2為0.944，方程的擬合性良好。對映射模型進行方差分析可知，定義vc和f交互作用為PAB，vc和ap交互作用為PAC，f和ap交互作用為PBC，則PAB

圖6展示了銑削參數交互作用對銑削力影響的響應曲面和等高線圖。響應曲面坡度越大，表明銑削力變化越快。等高線圖的形狀反映因素間互相作用的大小，呈橢圓形表示因素間的交互作用顯著[16]。從圖6(a)可以看出：當ap=0.5 mm時，隨著vc和f的減小，曲面坡度較大，這表明RuT500的銑削力F降低速度變化較快。盡管圖6(b)和圖6(c)的曲面坡度相較于圖6(a)變化較緩，但ap分別與vc和f的交互作用仍對RuT500的銑削力F產生較大影響。此外，對3組因素間交互作用的等高線圖進行分析，發現3組圖形的分布均近似為橢圓形，這表明因素間的交互作用具有一定的顯著性，這與上述的分析一致。

圖6 銑削力F交互響應曲面和等高線圖

2.4 銑削參數優化

根據銑削參數和銑削力的二階映射模型可得銑削力響應曲面和等高線圖，并以此可分析出以銑削力為約束條件的銑削參數優化方向。當背吃刀量ap=0.5 mm時銑削力F與銑削速度vc和進給量f之間的響應曲面和等高線圖如圖6(a)所示。可知：銑削速度vc的變化對銑削力F的影響較小，而進給量f對銑削力F的影響較大。同時由圖6(a)可知：在相同的銑削力限制條件下，只要進給量f適當下調，便可以增大銑削速度vc，這對提高表面質量等極為有利。因此在優化銑削速度時，可通過適當下調進給量f增加銑削速度vc來獲得較小的銑削力。另外，當銑削速度vc=150 m/min時銑削力F與進給量f和背吃刀量ap之間的響應曲面和等高線圖如圖6(c)所示。可知：銑削力F在進給量f和背吃刀量ap的共同作用下其變化極為劇烈。因此降低進給量f和背吃刀量ap能顯著降低銑削力。但是，根據單位切削率公式：η=KDfap(K是刀具直徑系數，D是刀具直徑)，根據圖6(c)，在銑削力F=488 N的等值條件下：當ap=0.72 mm時，f=0.1 mm，單位切削率η1=0.072KD(mm3/min)；當ap=0.4 mm時，f=0.15 mm，單位切削率η2=0.06KD(mm3/min)。由公式：P=(η2-η1)/η1×100%可知，在相同的單位銑削率下，后者的單位銑削率比前者減少了16.6%。因此，銑削參數優化時，取較大的背吃刀量ap、適當的進給量f和較大的銑削速度能獲得較低的銑削力F和良好的加工效率。

3 結論

通過對2種不同涂層的硬質合金刀具銑削新型高強度蠕墨鑄鐵RuT500的銑削力進行研究，并采用響應曲面建模方法建立了新型高強度蠕墨鑄鐵RuT500的銑削力映射模型。所得的結論如下所示：

(1)在銑削過程中，相比較于TiAlN/AlCrN復合涂層硬質合金刀具，TiCN/Al2O3復合涂層硬質合金刀具整體上擁有更大的銑削力，表現更佳。

(2)在試驗參數范疇，伴隨銑削速度的增加，銑削力表現為先增大后減小的走向；隨著背吃刀量和進給量的增大，銑削力顯著增大。其中，對銑削力的變化影響最大的是背吃刀量，進給量次之，銑削速度影響最小。

(3)采用RSM建模方法建立的蠕墨鑄鐵RuT500的銑削力映射模型為

TiCN/Al2O3復合涂層硬質合金刀具：

蠕墨鑄鐵RuT500的銑削參數交互作用對銑削力的影響具有一定的顯著性，銑削力響應曲面模型可靠。

(4)在相同的銑削力約束條件下取較大的背吃刀量ap、適當的進給量f和較大的銑削速度vc能獲得較低的銑削力F和良好的加工效率。