蠕墨铸铁专用粗铣刀磨损机理及优选的研究

艾晓南 马 伟 丁 泽 王 坤 张连杰 孟祥东

(①内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061；②潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061；③大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁 大连 116024)

随着大功率柴油发动机性能要求的不断提高，提升功率、减轻重量、缩小体积、降低燃油消耗及排放量成为柴油发动机的发展方向[1]。而蠕墨铸铁材料因具有高强度、高疲劳强度、高延伸率、高致密度和高热稳定性等优点[2]，恰好符合新一代柴油发动机的发展需求。与传统发动机缸体材料灰铸铁、铝合金相比，蠕墨铸铁的抗拉强度、弹性模量和疲劳强度等力学性能都有较大提高[3]，将蠕墨铸铁用于制造发动机缸体可减小缸孔变形，实现薄壁化和轻量化[4]，因此蠕墨铸铁一跃成为制造柴油发动机缸体和缸盖的理想材料。

加工蠕墨铸铁零件时刀具寿命大幅下降[5-6]。研究表明，当用蠕墨铸铁代替灰铸铁时，在高速连续切削条件下，刀具寿命降低10～20倍[7]。

目前国内大部分研究均是对蠕墨铸铁的材料性能、铸造性能及铸造控制进行研究，而对机械加工的研究较少[8-9]。实际生产中，加工蠕墨铸铁的刀具和切削参数大多是刀具厂商推荐的，生产效率较低，并且对于发动机缸体、缸盖上的大面积平面的粗铣加工来说，市面上暂无蠕墨铸铁专用平面铣刀，因此会在加工过程中出现切削温度高、润滑效果差、刀具磨损过快等问题[10-12]，进而导致加工效率低下，加工表面质量无法保证，材料损耗快，生产成本大大提高。这些都大大影响了蠕墨铸铁的发展与推广，也阻碍了柴油发动机的进一步提升。本文研究了针对蠕墨铸铁平面粗铣加工的专用铣刀。经过前期对蠕墨铸铁材料的切削研究，对比4款粗铣刀片，并对新刀具进行了现场验证。

1 粗铣试验

1.1 试验设备和加工材料

选用德国海勒MCH350卧式加工中心进行干切削面铣试验，使用贝斯特液压夹具对工件进行夹持。使用放大倍率20～220倍，分辨率2 592×1 944的便携式显微镜对工件和刀具进行现场观察与检测。

如图1所示，工件采用某机型报废机体，上平面已精铣完成，工件材质为Rut400，本体抗拉强度≥400 MPa，材料硬度为200～250 HBW。

1.2 试验刀具

本次实验所使用刀片为自主研发的4款刀片以及一款现用品牌的对比刀片，具体参数如表1。

表1 刀具参数

4款新刀片针对蠕墨铸铁材料的特殊性能开发了基体材料与涂层的专用刀片，如图2所示，两款槽型分别为GM大前角设计，切削轻快，GH高强度刃口，适于断续切削。

Rut450-1全新超细颗粒硬质合金基体，Al2O3和MT-TiCN化学涂层，特殊表面后处理，提高样品的耐磨，硬度较高。Rut450-2全新超细颗粒硬质合金基体，TiAlN物理涂层，韧性较强，同时具有良好的红热性。

1.3 粗铣试验

按照表1顺序，依次准备全新刀片，4款自主研发的刀片选用D160 F4033刀盘(刀盘齿数20)，现用品牌选用原装D160刀盘(刀盘齿数24)。每个刀盘都只对称安装4个刀片，为防止混装，在刀盘对应刀夹处标记序号，如图3所示。

首先进行GMRUT450-1刀具切削试验，按照表2加工参数、图1加工轨迹开始试切。机体顶面缸孔处存在断续加工情况，采用顺铣方式。每个工件可加工8层，最后两层工件较薄，存在振动情况。

表2 工艺参数

批量工艺粗铣切深一般在5 mm，所以本次试验每切两层(即Z轴进给5 mm)计算为一个工件，试切暂停，拆下刀片用显微镜观察并记录后刀面磨损Vb，记录完后按序号重新装在刀盘对应位置。

设定后刀面磨损量Vb=0.2 mm为换刀标准，正常磨损情况下，4个刀片中Vb值最大的到达0.2 mm即停止加工，记录当前刀具寿命。若试验过程中出现两个以上刀片崩刃，即停止加工，记录当前切削次数为最终寿命，仅出现1个刀片崩刃情况，可替换新刀片继续加工。

完成GMRUT450-1刀片试切后，按照上述步骤进行GMRUT450-2刀片试验，因自主研发的剩余两款刀片仅槽型发生变化，基体材料及涂层与前两款完全相同，为节省试验资源提高效率，根据前两个刀片试验结果仅选择GHRUT450-1或者GHRUT450-2其中之一进行试切。

为了对比专用刀片与现用刀片加工性能，按照上述步骤进行现用WEIN2004刀片试验。

2 结果与分析

2.1 试验刀具结果分析

试验中，同时将4个相同种类刀片安装在刀盘上进行试切，每切两层观察一次，每次观察取磨损量最大及发生崩刃的刀片进行记录和分析。试验分别使用了GMRUT450-1、GMRUT450-2和GHRUT450-2这3款自主研发刀片进行试切，以及一款现用刀片进行对比。经观察、分析和总结后，发现3款自主研发刀片的刀具寿命均在现用刀片的基础上有所提高。

表3 刀片磨损数据

如表3和图4所示，自主研发刀具的刀具寿命均是现用刀具寿命的2倍以上，自主研发刀具有效降低了刀具磨损，降低生产成本。但3款自主研发刀具之间依然存在加工差异，接下来对每一款刀具进行分析。

现用刀片WEIN2004进行对比试验，磨损数据见表3，加工第6层，Vb值为0.106 mm，但1、2、3号刀片均出现一定程度崩刃，试验停止，记录该寿命为6层。

跟踪记录GMRUT450-1刀片每切削2层后刀面磨损量与崩刃情况，其中第2层、第8层、第16层磨损情况如图5所示。

加工至第16层，1号刀片、2号刀片出现崩刃，按照规则停止试验。剩余刀片最大磨损量为4号刀，Vb值为0.188 mm。

GMRUT450-1刀片进行蠕墨铸铁平面铣削加工时，刀具寿命为16层，是现用刀具寿命的2.67倍，但由于其刀具涂层为Al2O3、MT-TiCN化学涂层，硬度较高，加工过程中，在达到寿命极限时已发生崩刃，容易对工件和刀杆造成损伤。

跟踪记录GMRUT450-2刀片每切削2层后刀面磨损量与崩刃情况，其中第2层、第12层、第22层刀具磨损情况如图6所示。

磨损数据见表3，加工至第22层时，所有刀片磨损Vb都达到0.2 mm以上，最大值出现在1号刀片。整个过程中未出现崩刀情况。

GMRUT450-2刀片进行蠕墨铸铁平面铣削加工，刀具寿命为22层，是现用刀具寿命的3.66倍，刀片涂层为TiAlN物理涂层，韧性较强，磨损量增长平缓，不会出现较大冲击，不易发生崩刃现象。

根据试验结果，进一步选择与GMRUT450-2相同基体材料和涂层的GHRUT450-2继续试验，跟踪记录每切削2层后刀面磨损量与崩刃情况，其中第2层、第10层、第16层刀具磨损情况如图7所示。

磨损数据见表3，加工第16层，所有刀片磨损Vb都达到0.2以上，最大值出现在1号刀片。

这款刀片为GH槽型(高强度刃口，适于断续切削)、TiAlN物理涂层的GHRUT450-2刀片，即在第二把刀的基础上仅改变槽型进行试验，试验结果为，刀具寿命16层，是现用刀具寿命的2.66倍。因此，大前角(GM槽型)设计的槽型更适用于进行蠕墨铸铁的铣削加工。

根据试验结果，GMRUT450-2刀片加工寿命最好，采用该刀片重复试验一次，与原结果一致。

2.2 粗铣刀具失效形式及机理分析

利用扫描电镜(SEM)及能谱分析仪(EDS)观察更换后的GMRUT450-2刀片，对刀具失效机理进行深入分析。

对前刀面微观形貌及成分进行分析，从图8中可发现，前刀面在刃口处存在粘接，分布较均匀，未出现明显崩刃情况。对粘接区域b处进行EDS分析，主要化学成分为Fe、Si、C，且3种元素质量分数和原子分数总和均接近100%，这些成分主要来自于被加工材料，由此可见，蠕铁粗铣前刀面主要失效模式为铁屑粘接。

对后刀面观察分析，磨损均匀未出现明显崩刃现象，如图9所示。从微观形貌上发现明显的沟槽及粘接现象，对粘接处进行能谱分析，主要元素为Fe、Cr、Si、Mn，刀具材料中不存在这些元素，主要来自于被加工材料，判断后刀面主要失效模式为磨粒磨损伴随着铁屑粘接。

3 结语

(1)根据试验结果，GMRUT450-2刀片进行蠕墨铸铁铣削加工，刀片寿命是现用刀片寿命的3.66倍，大大降低加工成本。

(2)韧性更强的TiAlN物理涂层在蠕墨铸铁铣削加工中适应性更好，能有效降低刀具磨损，缓解刀具崩刃的情况发生。

(3)槽型对刀片寿命影响较大，需要根据不同工况开发专用槽型，试验结果表明，大前角槽型更适合蠕墨铸铁粗铣加工。

(4)蠕墨铸铁粗铣加工，刀具主要失效形式为前刀面粘接磨损，后刀面磨粒磨损伴随粘接磨损。