蠕墨铸铁刀具选择及评价方法_马伟.pdf

2023年 第2期 冷加工62刀具Cutting Tool蠕墨铸铁刀具选择及评价方法马伟1，2，王樱达1，2，彭乐云1，2，尹桂宾1，21.内燃机可靠性国家重点实验室 山东潍坊 2610612.潍柴动力股份有限公司 山东潍坊 261061摘要：通过采集刀具切削过程中的轴向力、切削力、弯矩特征，分析不同特征与刀具磨损的关系，筛选出与刀具磨损呈强鲁棒性的特征轴向力，继而建立了韧带磨损反射区数学模型。确定了可通过轴向力来评价刀具是否适合加工蠕墨铸铁，对于初期选择蠕墨铸铁专用刀具具有实际应用价值。关键词：蠕墨铸铁；切削力；钻头；刀具评价1 序言发动机作为特种车辆的核心动力来源，是特种车辆的核心设备之一，为提高发动机耐压程度，发动机主体材料也由灰铸铁向蠕墨铸铁材料切换1，由于蠕墨铸铁材料的弹性模量高于灰铸铁并且热导率低于灰铸铁，因此导致冷加工过程中的切削抗力、切削功率明显升高，刀具磨损严重2-4，确定刀具在加工蠕墨铸铁时的评价指标在现代加工中备受 关注。蠕墨铸铁材料因具有拉伸强度、弹性模量和抗疲劳强度高等力学性能优异的特点，与轻量化、高效率的发动机要求相匹配，在汽车行业得到广泛的应用5。但蠕墨铸铁良好的力学性能也极大地降低了其可加工性6，原因有以下几点：蠕墨铸铁热导率仅为灰铸铁的78%，易积聚热量导致刀具承受较高的温度，疲劳磨损随之加剧。蠕墨铸铁的铁素体含量远高于灰铸铁，加工过程中刀具表面容易产生黏结磨损。蠕墨铸铁的S含量比灰铸铁含量低，无法像灰铸铁一样在切削刃上形成MnS润滑层，导致刀具与工件接触位点的摩擦系数升高。蠕墨铸铁内含有Ti元素较多，加工过程中，元素之间会形成TiC、TiCN等硬质点，刀具的磨粒磨损也因此加重7。由此可见，在相同加工条件下，蠕墨铸铁的可加工性较差，特别是在高速连续切削过程中，相较于加工灰铸铁，刀具寿命明显降低，大部分加工蠕墨铸铁的刀具寿命只能达到加工灰铸铁 的30%8。蠕墨铸铁的微观构型和内部石墨的形态使其具备了良好的力学性能，也成为其难加工的主要因 素9，10，MOHAMMED等通过仿真计算手段，进一步明确蠕墨铸铁所含的珠光体和铁素体含量对切屑形状、切削抗力、切削温度分布和刀具磨损过程的影响11。NAYYAR等探究了铸铁材料类型对切削抗力、切削温度分布和刀具磨损过程的影响，发现铸铁材料的种类对于切削温度变化影响不大，但发现切削力的变化与铸铁材料类型相关性较大，并且在干切削条件下，刀具的黏结磨损是主要的磨损机理；在湿切削条件下，磨粒磨损是主要的磨损形式12。ABELE等选取3种刀具材料，分别设计车削灰铸铁和蠕墨铸铁试验，结果表明：切削灰铸铁时，刀具的切削刃表面会合成MnS润滑层，但在切削蠕墨铸铁材料时，未发现刀具的切削刃表面形成MnS润滑层，并且认为PCBN刀具不适合加工蠕墨铸铁材料，这一结论在其随后的试验中也获得证实13。2 钻削试验2.1 试验材料与装置试验材料为R u T450型蠕墨铸铁样块，长500mm，宽500mm，厚50mm，与HT280灰铸铁主要物理参数对比见表1。2023年 第2期 冷加工63刀具Cutting Tool表1 室温（23）RuT450和HT280材料的主要物理参数材料热导率/W/（mK）热扩散率/（mm/s）比热容/J/（kgK）硬度/HBW弹性模量/GPaHT28046.2612.930.460200100RuT45036.2810.480.475230145试 验 选 用 D 9 3 8-A 3 C-0 8 5 0 钻 头（D8.5mm47mm89mmD10mm）。对样块进行连续钻孔加工，钻孔深度h=36mm，钻孔数量n=500个。刀具切削力采集系统如图1所示，在数控加工中心上进行钻孔试验。钻孔过程中通过刀具切削力采集平台采集钻孔过程中的轴向力、切削力和弯矩数据。图1 刀具切削力采集系统2.2 试验过程将钻头安装到测力刀柄上，并将刀柄安装在卧式加工中心上等待加工。编辑加工程序和加工参数，将钻头调整到起始位置。将测力仪计算机与测力刀柄进行无线匹配，测力刀柄采集的数据传输到测力仪计算机。准备就绪后，开始钻削试验，测力计算机记录每个孔加工过程中的轴向力、切削力和弯矩。钻头加工500个孔，收集数据并整理，观察钻头磨损。钻孔加工参数见表2，钻孔样块如图2 所示。表2 钻孔加工参数材料转速/（r/min）进给速度/（mm/min）加工深度/mm钻孔数量/个RuT450 2248224.836500图2 钻孔样块图3钻孔平均轴向力趋势3 试验结果通过所收集的数据得到钻孔平均轴向力、平均切削力、平均弯矩分别如图3图5所示，得到钻孔过程轴向力、切削力、弯矩时间进程分别如图6图8所示，钻头最终磨损如图9所示。钻孔数量/个2023年 第2期 冷加工64刀具Cutting Tool图4钻孔平均切削力趋势图5钻孔平均弯矩趋势a）孔1b）孔500图6 钻孔过程轴向力时间进程钻孔数量/个钻孔数量/个2023年 第2期 冷加工65刀具Cutting Tool4 讨论与分析由图3图5可知，随着钻孔数量的增加，轴向力、切削力和弯矩整体呈现增大的趋势。其中轴向力与钻孔数量呈正相关，轴向力与钻孔数量关联度鲁棒性强；平均切削力与钻孔数量关系呈现先不变后增大的趋势；平均弯矩与钻孔数量关系呈现先减小后增大再减小的趋势。由图6图8可知，钻孔过程轴向力时间进程变化也较为稳健，噪声小、鲁棒性强，可取其作为钻a）孔1b）孔500图7 钻孔过程切削力时间进程a）孔1b）孔500图8 钻孔过程弯矩时间进程a）后刀面磨损b）韧带磨损图9 加工至孔500时钻头磨损头评价的特征。由图9可知，最终钻头后刀面和韧带呈现磨损，而钻孔数量的增加会造成刀具的磨损，综合分析轴向力是刀具磨损鲁棒性最强的特征，可取其作为钻头评价的特征。4.1 建立磨损反射区对于单个钻孔过程，可以将单个钻孔轴向力时间进程曲线分为韧带磨损反射区与综合磨损反射区，如图10所示。2023年 第2期 冷加工66刀具Cutting Tool4.2 定量化描述韧带反射区比较孔1的韧带磨损反射区和孔500的韧带磨损反射区，可以清楚地观察到，随着钻孔数量的增加，韧带磨损也随之加剧，使得平均轴向力的韧带磨损反射区的曲线产生明显的变化，为了定量化描述韧带的磨损，建立如下公式，即曲率 式中，K2为弯曲程度；为韧带磨损反射区切线方向变化夹角（）；s为韧带磨损反射区弧长（mm）。曲率计算模型如图11所示。图11 曲率计算模型具体计算步骤如下。选取韧带磨损区定长圆弧。过圆弧起始点分别作出两条垂线。两垂线交点即为圆弧的拟合圆圆心，垂线段长度即为拟合圆半径，计算圆弧长度s。过两垂线与圆弧交点作圆弧切线，相交于一点，计算外角。通过式（1）计算K2曲线的曲率。以本文试验为例，孔1的为7，s为131.32mm，计算曲率K2得0.053；孔2的为49，a）孔1 b）孔500图10 韧带磨损反射区与综合磨损反射区的建立K2s（1）s为178.77mm，计算曲率K2得0.274。韧带磨损越严重，曲率越大，曲率可以定量反映钻头磨损。4.3 定量化描述综合反射区比较孔1的综合磨损反射区和孔500的综合磨损反射区，可以清楚地观察到，整个过程中钻孔平均轴向力是均匀增大的，为了更全面地反映钻头韧带磨损之外的其他部位磨损，对综合磨损反射区建立公式为 式中，K1为切削轴向力增长程度；Fn为第n个孔切削轴向力平均值（N）；F1为第1个孔切削轴向力平均值（N）。5 结束语本文通过刀具切削力采集系统平台进行钻孔试验，并收集其轴向力、切削力和弯矩等数据。分析轴向力、切削力、弯矩与刀具磨损的关系，建立综合反射区数学模型，描述钻头不同部位的磨损程度，使其可以评价钻头是否适合加工蠕墨铸铁，主要结论如下。1）刀具磨损反映于加工轴向力，可以利用其评估钻头磨损程度。2）钻头平均轴向力时间进程可以划分为韧带磨损反射区和综合磨损反射区，并且可以建立相应的数学模型，反应其磨损程度。参考文献：1 林勇传，何法文，黄健友，等.蠕墨铸铁切削机理的探讨研究J.机械设计与制造，2017（8）：100-102.K1FnF1F1（2）2023年 第2期 冷加工67刀具Cutting Tool基于手工刃磨标准麻花钻头的创新检测方法赵海俊昌乐县高级技工学校 山东潍坊 262400摘要：钻孔在机械加工领域占比很大，当利用麻花钻进行钻孔时，钻孔质量和效率很大程度受麻花钻头刃磨质量的影响。虽然可以采用先进的钻头刃磨设备对标准麻花钻进行刃磨，但在单件、小批量生产中主要的刃磨方式仍是手工刃磨。由于麻花钻手工刃磨后质量的检测一般是目测，对于新手来说，快速掌握目测的技能较难，因此对常规手工刃磨标准麻花钻头的检测方法及问题进行分析，并将检测方法进行创新，提高了标准麻花钻头的刃磨质量，保证了钻孔的质量和效率。关键词：麻花钻头；手工刃磨；创新；检测方法1 序言孔加工是机械加工领域中的一项重要技术，俗语说的“车工怕车杆，钳工怕打眼”就充分说明钳工钻孔是一项比较难掌握的技术，可是由于在机械加工领域钻孔占比很大，大约能占到机械加工工作量的1/3，所以熟练掌握钻孔技术是每个钳工的必修课。当前钻孔工作都利用麻花钻进行，麻花钻诞生至今已有百余年的历史，目前仍然是应用最广泛的孔加工刀具，消耗量十分惊人。利用标准麻花钻进行钻孔时，钻头易磨钝，钻头的切削部分需要经常刃磨。钻头刃磨质量的好坏，对钻削质量、生产效率及钻头的寿命都有很大的影响，也可以说钻孔的质量和效率主要取决于钻头的刃磨质量。虽然可以采用先进的钻头刃磨设备对标准麻花钻进行刃磨，2 袁华，王成勇，郭院，等.蠕墨铸铁加工研究进展J.机床与液压，2014，42（13）：162-167.3 张忠仇，李克锐，曾艺成.我国蠕墨铸铁的现状及展望J.铸造，2012，61（11）：1303-1307.4 张伯明.蠕墨铸铁在发动机上的应用J.汽车与配件，2011（2）：31-33.5 王有清，胡飞，施华武，等.蠕墨铸铁在气缸体铸件上的应用与发展J.现代铸铁，2010，30（6）：23-26.6 曾大本.面向汽车轻量化材料加工技术的发展动向J.现代铸铁，2010，30（S2）：15-22.7 郝长文.蠕墨铸铁柴油发动机气缸体的高效率端面铣削加工J.汽车工艺与材料，2009（1）：45-48.8 卢健林.加工蠕墨铸铁材质刀具折断的影响因素J.装备制造技术，2008（7）：18-19.9 邱汉泉，陈正德.中国蠕墨铸铁40年（三）J.中国铸造装备与技术，2006（3）：14-21.10 GEORGE G.蠕墨铸铁的高速加工J.世界制造技术与装备市场，2005（6）：89-93.11 MOHAMMED W M，NG E，ELBESTAWI M A.Modeling the Effect of the Microstructure of Compacted Graphite Iron on Chip FormationJ.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2011(10).12 NAYYAR V，KAMINSKI J，KINNANDER A，et al.An Experimental Investigation of Machinability of Graphitic Cast Iron Grades：Flake，Compacted and Spheroidal Graphite Iron in Continuous Machining OperationsJ.Procedia CIRP，2012（1）.13 ABELE E，SAHM A，SCHULZ H.Wear Mechanism when Machining Compacted Graphite IronJ.CIRP Annals-Manufacturing Technology，2002，51（1）.20221108