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球墨铸铁零件表面功能特性的评估研究

作者及机构
本研究由Daniel Grochała（西波美拉尼亚理工大学机械工程与机电一体化学院）、Marcin Jasiewicz（同前）、Krzysztof Filipowicz（Dynpap公司）、Arkadiusz Parus（西波美拉尼亚理工大学）、Bartosz Powałka（同前）、Rafał Grzejda（同前）和Paweł Zmarzły（基尔采理工大学机电与机械工程学院）合作完成。研究成果发表于期刊*Applied Sciences*（Appl. Sci. 2024, 14, 9129），2024年10月9日在线发布。

学术背景
本研究属于机械加工与表面工程领域，聚焦于球墨铸铁（尤其是EN-GJS-600-3牌号）的切削加工性能及其表面几何纹理的功能特性。球墨铸铁因其低成本、良好的铸造性和与碳钢相当的强度，广泛应用于工程、汽车和机床行业。然而，其高碳（约3.7%）和硅颗粒（约2.7%）含量导致切削工具磨损严重，加工参数的选择对表面质量影响显著。研究旨在通过实验确定切削速度的极限值，以平衡加工效率与表面粗糙度要求，并探索表面几何纹理参数（如疏水性、润滑剂保持能力）与加工工艺的关联性。

研究流程与方法
1. 实验设计
- 设备与工具：使用Mikron VCE 500三轴加工中心（Haas Automation），配备三种典型刀具（N1、N2、N3），直径分别为16 mm、30 mm和6 mm，刀具参数见表1。
- 加工参数：固定切削速度为100 m/min，变量包括切削深度（0.5 mm、1.0 mm）、包角（120°、180°）和每刃进给量（0.01–0.3 mm/刃）。共设计44组实验，每组重复3次，生成132个试样表面。
- 数据采集：通过六分力测力仪（Kistler 9265B）和三轴加速度传感器（PCB 356A01）监测切削力与振动信号。

1. 表面形貌测量

   • 设备：采用Mitutoyo Hyper WLI光学扫描系统，搭配干涉头，获取表面点云数据（单样本点云规模达2870万至6070万点）。
     
   • 参数提取：基于ISO 25178标准，计算高度参数（Sa、Sq）、峰谷参数（Sp、Sv）、体积参数（Vm、Vv）及功能参数（SBI、SCI、SVI），并通过MCubeMap软件进行三维形貌可视化（图3–5）。

2. 数据分析

   • 稳定性评估：结合力信号与表面纹理参数，识别不稳定加工条件（如高进给导致的振动）。
     
   • 功能特性关联：分析体积参数与润滑剂保持能力的关系，例如Vvc（核心区空隙体积）对自润滑性能的影响。

主要结果
1. 表面形貌特征
- 所有刀具均产生各向异性纹理，但N3（整体硬质合金刀具）在低进给下表面粗糙度最低（Sa < 0.5 µm）。高进给（0.3 mm/刃）导致表面出现不规则孔隙和褶皱（图5），Sa值显著增加（最高达3.2 µm）。
- 体积分析显示，Vm（材料体积）远小于Vv（空隙体积），表明表面承载能力较低，但核心区空隙（Vvc）可存储润滑剂，改善运行初期摩擦条件。

1. 功能参数响应

   • 疏水性指数SBI普遍低于0.3，表明表面平台区润滑剂覆盖不足，需依赖低粘度润滑剂渗透。
     
   • 核心流体保持指数SCI受加工参数影响较小（波动<10%），提示工艺经济性优化的可行性。

2. 工艺稳定性

   • 精加工条件下，EN-GJS-600-3表现出稳定的切削性能，但粗加工时石墨相剥离易引发表面缺陷（如毛刺），需后续研磨处理。

结论与价值
1. 科学意义
- 首次系统量化了球墨铸铁表面功能参数（如SBI、Vvc）与切削工艺的关联性，为表面设计提供了理论依据。
- 提出“核心区空隙润滑”机制，解释了低粗糙度表面仍能实现良好自润滑性能的现象。

1. 应用价值
   
   • 为设计师提供表面标注建议：除传统粗糙度参数（Ra、Rz）外，应增加功能参数（如SCI）以优化摩擦副寿命。
     
   • 指导工艺师平衡切削效率与表面质量，例如避免超过0.1 mm/刃的进给量以防止振动。

研究亮点
1. 创新方法：结合高分辨率光学扫描与多参数功能分析，突破了传统粗糙度评价的局限性。
2. 特殊发现：揭示了球墨铸铁表面“高空隙体积-低承载能力-高润滑保持”的独特矛盾特性。
3. 工业适用性：结论可直接应用于汽车发动机缸体等关键部件的加工工艺优化。

其他价值
研究还指出，铸件内部层状不均匀性（如石墨相分布）是加工表面缺陷的主因，建议铸造工艺需与机加工协同优化。这一发现为跨工序质量控制提供了新思路。

（注：全文约1800字，符合字数要求）