PCBN刀具切削蠕墨鑄鐵的刀具磨損機(jī)理模型*

隋建波，王成勇，梁清延

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；2.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西玉林 537005）

0 引言

和傳統(tǒng)的灰鑄鐵材料相比，蠕墨鑄鐵材料具有良好的綜合力學(xué)性能（更高的拉伸輕度、彈性模量和疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能），因在實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化、提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低尾氣排放等方面具有很大優(yōu)勢(shì)，故近年來(lái)在汽車領(lǐng)域不斷獲得應(yīng)用。然而蠕墨鑄鐵相對(duì)于灰鑄鐵，其可加工性差，尤其在高速連續(xù)切削條件下，刀具壽命比加工灰鑄鐵時(shí)降低10～20倍[1]。對(duì)蠕墨鑄鐵的加工機(jī)理特別是磨損機(jī)理已有大量研究[2-5]。Gastel等[2]采用CBN刀具切削蠕墨鑄鐵，發(fā)現(xiàn)刀具存在氧化現(xiàn)象和元素?cái)U(kuò)散現(xiàn)象，并認(rèn)為蠕墨鑄鐵加工時(shí)刀具壽命低是因?yàn)榈毒吆凸ぜ佑|區(qū)域缺少M(fèi)nS層的存在。Dawson等[1]通過銑削和車削蠕墨鑄鐵實(shí)驗(yàn)也認(rèn)為MnS 層的缺失是造成刀具磨損較快的原因。Sahm 等[3]和Abele 等[4]也證實(shí)MnS 層存在與否對(duì)刀具磨損的影響。但Nguyen 等[5]卻通過車削實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是Al2O3層而不是MnS 層的缺失是造成蠕墨鑄鐵切削時(shí)刀具磨損更快的主要原因。有限元方法被廣泛用于研究鑄鐵材料的切屑形成過程。Ding 等[6]通過霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)提出改進(jìn)了RuT400的材料本構(gòu)模型，并采用有限元方法研究了切屑形態(tài)。Ljustina 等[7-8]也開發(fā)了一種蠕墨鑄鐵材料的本構(gòu)方程模擬切屑過程的切削力和切屑形貌。Mohammed 等[9-11]也利用有限元方法模擬了石墨課題對(duì)蠕墨鑄鐵切削的影響。材料組分和微結(jié)構(gòu)對(duì)蠕墨鑄鐵的加工性能也具有很大影響。Berglund等[12]發(fā)現(xiàn)蠕墨鑄鐵里珠光體含量對(duì)其可加工性影響較大。Sadik 等[13]和Rosa等[14]研究了Ti 元素對(duì)蠕墨鑄鐵可加工性的影響，發(fā)現(xiàn)Ti 元素增加刀具壽命降低，但Ti 元素含量對(duì)加工質(zhì)量影響不大。刀具結(jié)構(gòu)和材質(zhì)以及涂層對(duì)蠕墨鑄鐵的加工性能具有很大影響。Gabaldo 等[15]對(duì)比了硬質(zhì)合金和陶瓷刀具切削蠕墨鑄鐵時(shí)的磨損機(jī)理和刀具壽命，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金的使用壽命更長(zhǎng)。Tasdelen等[16]對(duì)比CBN和硬質(zhì)合金刀具發(fā)現(xiàn)CBN刀具不適合切削蠕墨鑄鐵。Su等[17-19]研究了蠕墨鑄鐵銑削過程中的切屑形貌及加工工藝對(duì)加工質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)高速銑削條件下材料去除體積對(duì)銑削力影響較大。不同冷卻技術(shù)也被用于輔助蠕墨鑄鐵材料的加工用于提高刀具壽命。Tai等[20]和Kuzu等[21]研究了微量潤(rùn)滑技術(shù)對(duì)蠕墨鑄鐵車削時(shí)的力、表面粗糙度、切屑及刀具磨損的影響，發(fā)現(xiàn)采用此冷卻方式可降低切削力2%～5%，表面粗糙度降低25%。Abele和Schramm[22]研究了液態(tài)二氧化碳冷卻條件下PCD刀具車削蠕墨鑄鐵GJV500時(shí)PCD里鉆石顆粒大小和加工速度對(duì)刀具磨損的影響，發(fā)現(xiàn)鉆石顆粒大小、粘合劑材料和加工工藝參數(shù)對(duì)刀具壽命均有影響，選定合適的工藝參數(shù)和冷卻條件可使得刀具磨損速率降低。Wang等[23]研究了油膜附水滴冷卻技術(shù)對(duì)刀具磨損的影響，發(fā)現(xiàn)此技術(shù)可有效降低刀具磨損速率。新加工技術(shù)也在嘗試應(yīng)用于鑄鐵切削過程。Guo等[24-25]采用可控低頻調(diào)制輔助加工技術(shù)用于蠕墨鑄鐵的高速加工，發(fā)現(xiàn)在切削速度500 m/min以上CBN刀具磨損速率可以大幅下降，刀具壽命比傳統(tǒng)加工過程提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。Skvarenina 和Shin[26]利用激光輔助加工技術(shù)加工蠕墨鑄鐵研究切削深度和進(jìn)給速度對(duì)切削力、比切削力、表面粗糙度和刀具磨損的影響，發(fā)現(xiàn)激光輔助加工蠕墨鑄鐵比傳統(tǒng)方式加工時(shí)刀具壽命提高了60%，表面粗糙度降低5%，但這些新技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室階段。上述研究大多基于實(shí)驗(yàn)或者有限元方法，尚缺乏理論分析來(lái)預(yù)測(cè)蠕墨鑄鐵切削過程中刀具的磨損及其隨工藝參數(shù)的關(guān)系，尤其是采用超硬刀具時(shí)。

本文通過研究PCBN超硬刀具切削蠕墨鑄鐵，分析刀具磨損機(jī)理，提出刀具磨損機(jī)理模型，并通過刀具磨損實(shí)驗(yàn)校正刀具磨損機(jī)理模型參數(shù)，從而獲得超硬刀具PCBN切削蠕墨鑄鐵時(shí)的刀具磨損預(yù)測(cè)模型。

1 刀具磨損機(jī)理模型

超硬刀具材料切削蠕墨鑄鐵時(shí)，鑄鐵材料組分、刀具材料組分和工藝參數(shù)都會(huì)對(duì)刀具磨損產(chǎn)生很大影響。當(dāng)鑄鐵材料中鐵素體含量較高時(shí)刀具磨損較快，當(dāng)鑄鐵材料中珠光體含量比較高時(shí)，刀具磨損較小。工藝參數(shù)中切削速度對(duì)刀具磨損的影響最大，因?yàn)榍邢魉俣仍黾?，切削力和切削溫度?huì)不斷增加，造成刀具和工件材料接觸區(qū)域應(yīng)力和溫度梯度較高，界面發(fā)生化學(xué)擴(kuò)散磨損的程度加大。如圖1所示[26]，通過掃描電鏡和能譜分析發(fā)現(xiàn)，刀具前后刀面除了基體成分以外，還增加了少量工件中的元素比如Fe和Si元素等，說明它們接觸區(qū)域發(fā)生了擴(kuò)散磨損。又由于大量O 元素的出現(xiàn)，說明刀具后刀面也發(fā)生了氧化磨損。根據(jù)SEM 和EDS 分析，發(fā)現(xiàn)超硬刀具PCBN切削蠕墨鑄鐵時(shí)主要的磨損機(jī)理為磨粒磨損和擴(kuò)散磨損，同時(shí)伴有少量的粘結(jié)磨損和氧化磨損[27]。為了簡(jiǎn)化分析和降低刀具磨損機(jī)理模型的復(fù)雜度，本文主要針對(duì)主要的磨粒磨損和擴(kuò)散磨損進(jìn)行建模。

圖1 PCBN刀具后刀面磨損形貌和EDS分析

1.1 磨粒磨損

磨粒磨損屬于物理磨損，不管切削速度如何改變，磨粒磨損方式都會(huì)存在。磨粒磨損是通過一種材料磨去刀具材料表面的凸起顆粒，與刀具接觸表面的法向力成正比。刀具開始切削時(shí)是鋒利的，此時(shí)與加工表面接觸面積較小，故法向力較高，刀具磨損速率高。切削一定時(shí)間，刀具與工件接觸面積和法向力比較穩(wěn)定，刀具磨損也趨于穩(wěn)定緩慢增長(zhǎng)，直到再次惡化磨損加劇。穩(wěn)定磨損階段的時(shí)間長(zhǎng)短與切削速度有關(guān)，與其成反比例關(guān)系。根據(jù)Koren等[28]的研究，刀具磨粒磨損機(jī)理模型可由下式描述：

式中：VBa為磨粒磨損引起的后刀面磨損量；τ0為特征時(shí)間，τ0＝l0/v；l0為特征長(zhǎng)度；v為切削速度；Fn為接觸面上的法向力；KF為系數(shù)；fr為進(jìn)給量；d為切削深度。

1.2 擴(kuò)散磨損

擴(kuò)散磨損的磨損速率與切削溫度（刀具與工件接觸區(qū)域的溫度）有關(guān)，可以用指數(shù)函數(shù)描述。并且元素?cái)U(kuò)散速度與切削速度的平方根有關(guān)。故由擴(kuò)散磨損引起的磨損速率可表示為：

式中：KD和A為依賴于刀具-工件材料組合的常數(shù)；T為刀具和工件接觸區(qū)域的平均溫度。

超硬刀具切削蠕墨鑄鐵材料的刀具磨損過程可認(rèn)為是上述磨粒磨損和擴(kuò)散磨損的綜合過程，隨著刀具磨損的發(fā)展，刀具和工件接觸面上的應(yīng)力和溫度不斷變化，造成磨損過程中磨損速率不斷變化。

1.3 后刀面接觸區(qū)域法向力

如圖2 所示，刀具切削刃可離散為一系列斜角切削單元，針對(duì)每一斜角切削單元，可通過受力分析獲得后刀面上的法向力。根據(jù)受力平衡可得：

可得：

式（3）～（5）中：αn為法向前角；η為切屑流出角；N2為接觸面上的法向力。

假設(shè)切削寬度為b，后刀面平均磨損寬度為VB，則接觸面上的法向應(yīng)力為：

圖2 斜角切削單元受力分析

1.4 后刀面接觸區(qū)域平均溫度

后刀面與已加工表面存在摩擦，摩擦做的功主要以熱的形式傳遞出去，假設(shè)不考慮冷卻情況或者冷卻到達(dá)不了后刀面與已加工表面的接觸區(qū)域，并假設(shè)摩擦產(chǎn)生的功全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，則熱流率和熱流密度分別為：

假設(shè)熱流密度有β分量通過刀具傳遞出去，則通過已加工表面?zhèn)鬟f出去的熱流密度比例為1-β。通過刀具傳遞出去的熱流密度為：

如圖3 所示，刀具相對(duì)于熱源是靜止的，即刀具通過后刀面與已加工表面的接觸面靜止熱源作用下溫度不斷升高，直到熱平衡狀態(tài)。因刀具在靜止熱源作用下升溫很快，可假設(shè)刀具溫度瞬間達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖3 后刀面與已加工表面接觸區(qū)域

假設(shè)刀具為半無(wú)限大，則在靜止邊界熱源作用下，邊界也即接觸面上的平均溫度可由下式得到：

式中：αt、λt分別為刀具材料的熱擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)。

由上式可知，接觸面上的平均溫度與刀具磨損量有關(guān)。

2 刀具磨損實(shí)驗(yàn)

本節(jié)通過超硬刀具車削蠕墨鑄鐵，測(cè)量一組工藝參數(shù)條件下的刀具磨損曲線來(lái)校正上述刀具磨損機(jī)理模型的系數(shù)。刀具采用國(guó)產(chǎn)超硬刀具PCBN材質(zhì)的80°菱形刀片，工件材料為蠕墨鑄鐵RuT400（由玉柴提供）。車削工藝參數(shù)為：切削速度v＝300 m/min，進(jìn)給量fr＝0.1 mm/r，切削深度ap＝0.5 mm。后刀面磨損量與切削時(shí)間的關(guān)系曲線如圖4所示，將其代入上述刀具磨損機(jī)理模型，可得模型參數(shù)為：

通過模型迭代算，可以獲得不同工藝參數(shù)條件下的刀具磨損曲線。圖4所示為在同一工藝參數(shù)條件下預(yù)測(cè)的刀具磨損曲線（切削速度為v＝300 m/min，進(jìn)給量fr＝0.1 mm/r，切削深度ap＝0.5 mm），通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)包含有磨粒磨損和擴(kuò)散磨損的刀具磨損機(jī)理模型可以獲得非常精確的預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖4 后刀面磨損量實(shí)測(cè)曲線及與模型預(yù)測(cè)曲線對(duì)比

圖5 刀具磨損曲線與切削速度的關(guān)系

3 刀具磨損機(jī)理模型應(yīng)用

根據(jù)刀具磨損機(jī)理模型，可分析不同工藝參數(shù)條件下的刀具磨損曲線。采用單因素分析方法，每次改變一個(gè)工藝參數(shù)，分析刀具磨損與改變的工藝參數(shù)的關(guān)系。將切削速度v＝300 m/min，進(jìn)給速度f(wàn)r＝0.1 mm/r，ap＝0.5 mm作為基準(zhǔn)的工藝參數(shù)，分別改變切削速度、進(jìn)給速度和切削深度，由刀具磨損機(jī)理模型，繪制相應(yīng)的刀具磨損曲線，如圖5-7 所示。由圖可知，刀具磨損速率隨著切削速度、進(jìn)給速度或者切削深度的增加而加快。

圖6 刀具磨損曲線與進(jìn)給速度的關(guān)系

圖7 刀具磨損曲線與切削深度的關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的針對(duì)PCBN超硬刀具切削蠕墨鑄鐵的刀具磨損機(jī)理模型可有效地預(yù)測(cè)不同工藝條件下的刀具磨損曲線，說明基于磨粒磨損和擴(kuò)散磨損的磨損率機(jī)理函數(shù)可以精確地預(yù)測(cè)刀具磨損速率，解決了長(zhǎng)期以來(lái)缺乏刀具磨損曲線的預(yù)測(cè)難題，方便刀具磨損預(yù)測(cè)和刀具壽命判斷。本模型可用于后續(xù)刀具耐用度模型的提取以及擴(kuò)展到類似磨損機(jī)理的切削方式，便于企業(yè)預(yù)測(cè)刀具壽命，智能監(jiān)測(cè)刀具磨損狀態(tài)等，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。