馬偉，王櫻達(dá)，彭樂云，尹桂賓

1. 內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東濰坊 261061

2. 濰柴動(dòng)力股份有限公司 山東濰坊 261061

1 序言

發(fā)動(dòng)機(jī)作為特種車輛的核心動(dòng)力來源，是特種車輛的核心設(shè)備之一，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)耐壓程度，發(fā)動(dòng)機(jī)主體材料也由灰鑄鐵向蠕墨鑄鐵材料切換[1]，由于蠕墨鑄鐵材料的彈性模量高于灰鑄鐵并且熱導(dǎo)率低于灰鑄鐵，因此導(dǎo)致冷加工過程中的切削抗力、切削功率明顯升高，刀具磨損嚴(yán)重[2-4]，確定刀具在加工蠕墨鑄鐵時(shí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)在現(xiàn)代加工中備受 關(guān)注。

蠕墨鑄鐵材料因具有拉伸強(qiáng)度、彈性模量和抗疲勞強(qiáng)度高等力學(xué)性能優(yōu)異的特點(diǎn)，與輕量化、高效率的發(fā)動(dòng)機(jī)要求相匹配，在汽車行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用[5]。但蠕墨鑄鐵良好的力學(xué)性能也極大地降低了其可加工性[6]，原因有以下幾點(diǎn)：①蠕墨鑄鐵熱導(dǎo)率僅為灰鑄鐵的78%，易積聚熱量導(dǎo)致刀具承受較高的溫度，疲勞磨損隨之加劇。②蠕墨鑄鐵的鐵素體含量遠(yuǎn)高于灰鑄鐵，加工過程中刀具表面容易產(chǎn)生黏結(jié)磨損。③蠕墨鑄鐵的S含量比灰鑄鐵含量低，無法像灰鑄鐵一樣在切削刃上形成MnS潤滑層，導(dǎo)致刀具與工件接觸位點(diǎn)的摩擦系數(shù)升高。④蠕墨鑄鐵內(nèi)含有Ti元素較多，加工過程中，元素之間會(huì)形成TiC、TiCN等硬質(zhì)點(diǎn)，刀具的磨粒磨損也因此加重[7]。由此可見，在相同加工條件下，蠕墨鑄鐵的可加工性較差，特別是在高速連續(xù)切削過程中，相較于加工灰鑄鐵，刀具壽命明顯降低，大部分加工蠕墨鑄鐵的刀具壽命只能達(dá)到加工灰鑄鐵 的30%[8]。

蠕墨鑄鐵的微觀構(gòu)型和內(nèi)部石墨的形態(tài)使其具備了良好的力學(xué)性能，也成為其難加工的主要因 素[9，10]，MOHAMMED等通過仿真計(jì)算手段，進(jìn)一步明確蠕墨鑄鐵所含的珠光體和鐵素體含量對(duì)切屑形狀、切削抗力、切削溫度分布和刀具磨損過程的影響[11]。NAYYAR等探究了鑄鐵材料類型對(duì)切削抗力、切削溫度分布和刀具磨損過程的影響，發(fā)現(xiàn)鑄鐵材料的種類對(duì)于切削溫度變化影響不大，但發(fā)現(xiàn)切削力的變化與鑄鐵材料類型相關(guān)性較大，并且在干切削條件下，刀具的黏結(jié)磨損是主要的磨損機(jī)理；在濕切削條件下，磨粒磨損是主要的磨損形式[12]。ABELE等選取3種刀具材料，分別設(shè)計(jì)車削灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵試驗(yàn)，結(jié)果表明：切削灰鑄鐵時(shí)，刀具的切削刃表面會(huì)合成MnS潤滑層，但在切削蠕墨鑄鐵材料時(shí)，未發(fā)現(xiàn)刀具的切削刃表面形成MnS潤滑層，并且認(rèn)為PCBN刀具不適合加工蠕墨鑄鐵材料，這一結(jié)論在其隨后的試驗(yàn)中也獲得證實(shí)[13]。

2 鉆削試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料與裝置

試驗(yàn)材料為RuT450型蠕墨鑄鐵樣塊，長500mm，寬500mm，厚50mm，與HT280灰鑄鐵主要物理參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 室溫（23℃）RuT450和HT280材料的主要物理參數(shù)

試驗(yàn)選用D938-A3C-0850鉆頭（D8.5mm×47mm×89mm×D10mm）。對(duì)樣塊進(jìn)行連續(xù)鉆孔加工，鉆孔深度h=36mm，鉆孔數(shù)量n=500個(gè)。刀具切削力采集系統(tǒng)如圖1所示，在數(shù)控加工中心上進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)。鉆孔過程中通過刀具切削力采集平臺(tái)采集鉆孔過程中的軸向力、切削力和彎矩?cái)?shù)據(jù)。

圖1 刀具切削力采集系統(tǒng)

2.2 試驗(yàn)過程

將鉆頭安裝到測力刀柄上，并將刀柄安裝在臥式加工中心上等待加工。編輯加工程序和加工參數(shù)，將鉆頭調(diào)整到起始位置。將測力儀計(jì)算機(jī)與測力刀柄進(jìn)行無線匹配，測力刀柄采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔y力儀計(jì)算機(jī)。準(zhǔn)備就緒后，開始鉆削試驗(yàn)，測力計(jì)算機(jī)記錄每個(gè)孔加工過程中的軸向力、切削力和彎矩。鉆頭加工500個(gè)孔，收集數(shù)據(jù)并整理，觀察鉆頭磨損。鉆孔加工參數(shù)見表2，鉆孔樣塊如圖2 所示。

表2 鉆孔加工參數(shù)

圖2 鉆孔樣塊

3 試驗(yàn)結(jié)果

通過所收集的數(shù)據(jù)得到鉆孔平均軸向力、平均切削力、平均彎矩分別如圖3～圖5所示，得到鉆孔過程軸向力、切削力、彎矩時(shí)間進(jìn)程分別如圖6～圖8所示，鉆頭最終磨損如圖9所示。

圖3 鉆孔平均軸向力趨勢

圖5 鉆孔平均彎矩趨勢

圖6 鉆孔過程軸向力時(shí)間進(jìn)程

圖8 鉆孔過程彎矩時(shí)間進(jìn)程

圖9 加工至孔500時(shí)鉆頭磨損

圖4 鉆孔平均切削力趨勢

圖7 鉆孔過程切削力時(shí)間進(jìn)程

4 討論與分析

由圖3～圖5可知，隨著鉆孔數(shù)量的增加，軸向力、切削力和彎矩整體呈現(xiàn)增大的趨勢。其中軸向力與鉆孔數(shù)量呈正相關(guān)，軸向力與鉆孔數(shù)量關(guān)聯(lián)度魯棒性強(qiáng)；平均切削力與鉆孔數(shù)量關(guān)系呈現(xiàn)先不變后增大的趨勢；平均彎矩與鉆孔數(shù)量關(guān)系呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢。

由圖6～圖8可知，鉆孔過程軸向力時(shí)間進(jìn)程變化也較為穩(wěn)健，噪聲小、魯棒性強(qiáng)，可取其作為鉆頭評(píng)價(jià)的特征。

由圖9可知，最終鉆頭后刀面和韌帶呈現(xiàn)磨損，而鉆孔數(shù)量的增加會(huì)造成刀具的磨損，綜合分析軸向力是刀具磨損魯棒性最強(qiáng)的特征，可取其作為鉆頭評(píng)價(jià)的特征。

4.1 建立磨損反射區(qū)

對(duì)于單個(gè)鉆孔過程，可以將單個(gè)鉆孔軸向力時(shí)間進(jìn)程曲線分為韌帶磨損反射區(qū)與綜合磨損反射區(qū)，如圖10所示。

圖10 韌帶磨損反射區(qū)與綜合磨損反射區(qū)的建立

4.2 定量化描述韌帶反射區(qū)

比較孔1的韌帶磨損反射區(qū)Ⅰ和孔500的韌帶磨損反射區(qū)Ⅱ，可以清楚地觀察到，隨著鉆孔數(shù)量的增加，韌帶磨損也隨之加劇，使得平均軸向力的韌帶磨損反射區(qū)的曲線產(chǎn)生明顯的變化，為了定量化描述韌帶的磨損，建立如下公式，即曲率

式中，K2為彎曲程度；Δφ為韌帶磨損反射區(qū)切線方向變化夾角（°）；Δs為韌帶磨損反射區(qū)弧長（mm）。

曲率計(jì)算模型如圖11所示。

圖11 曲率計(jì)算模型

具體計(jì)算步驟如下。① 選取韌帶磨損區(qū)定長圓弧。② 過圓弧起始點(diǎn)分別作出兩條垂線。③ 兩垂線交點(diǎn)即為圓弧的擬合圓圓心，垂線段長度即為擬合圓半徑，計(jì)算圓弧長度Δs。④ 過兩垂線與圓弧交點(diǎn)作圓弧切線，相交于一點(diǎn)，計(jì)算外角Δφ。⑤ 通過式（1）計(jì)算K2曲線的曲率。

以本文試驗(yàn)為例，孔1的Δφ為7°，Δs為131.32mm，計(jì)算曲率K2得0.053；孔2的Δφ為49°，Δs為178.77mm，計(jì)算曲率K2得0.274。韌帶磨損越嚴(yán)重，曲率越大，曲率可以定量反映鉆頭磨損。

4.3 定量化描述綜合反射區(qū)

比較孔1的綜合磨損反射區(qū)Ⅲ和孔500的綜合磨損反射區(qū)Ⅳ，可以清楚地觀察到，整個(gè)過程中鉆孔平均軸向力是均勻增大的，為了更全面地反映鉆頭韌帶磨損之外的其他部位磨損，對(duì)綜合磨損反射區(qū)建立公式為

式中，K1為切削軸向力增長程度；Fn為第n個(gè)孔切削軸向力平均值（N）；F1為第1個(gè)孔切削軸向力平均值（N）。

5 結(jié)束語

本文通過刀具切削力采集系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)，并收集其軸向力、切削力和彎矩等數(shù)據(jù)。分析軸向力、切削力、彎矩與刀具磨損的關(guān)系，建立綜合反射區(qū)數(shù)學(xué)模型，描述鉆頭不同部位的磨損程度，使其可以評(píng)價(jià)鉆頭是否適合加工蠕墨鑄鐵，主要結(jié)論如下。

1）刀具磨損反映于加工軸向力，可以利用其評(píng)估鉆頭磨損程度。

2）鉆頭平均軸向力時(shí)間進(jìn)程可以劃分為韌帶磨損反射區(qū)和綜合磨損反射區(qū)，并且可以建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，反應(yīng)其磨損程度。

20221108