铸铁加工与刀具
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球墨铸铁、蠕墨铸铁(CGI)和奥氏体球铁(ADI)的应用日益增多,并对加工它们的刀具提出了更高要求。
多年来,灰铸铁一直是汽车制造业的主要原材料之一,它被用于制造各种零部件,包括发动机缸体、缸盖、差速器箱体、轴、飞轮、制动鼓和制动盘等。灰铸铁在汽车制造业的绝对用量大得惊人。然而,没有任何事物是一成不变的。汽车市场的变化趋势表明,灰铸铁的使用量正在不断减少,其原因包括:不断上涨的燃油成本、对汽车排放的监管,以及各种新材料的应用。
为了实现更好的燃油经济性,人们对减轻汽车零部件重量的要求不断提高,球墨铸铁和奥氏体球铁的使用量也随之增加。此外,在汽车制造业,蠕墨铸铁(CGI)的应用也出现了预期的增长,尤其是在主要依赖柴油发动机的卡车制造业。
汽车零部件材料的这种变化是由政府和环保压力推动的。为了减少废气微粒的排放,制造商必须采用更高的燃烧室温度和压力。而目前的灰铸铁发动机其牢固程度已不足以承受为满足政府要求所需要的更高温度与压力。此外,通过减轻各个零部件的重量,也有助于提高汽车的燃油效率。
美国环保署(EPA)从2007年开始实施对更清洁柴油发动机的合规要求监管,为此,美国卡车制造业积极参与了对蠕墨铸铁(CGI)的开发。然而,2004年在美国销售的新轿车中,只有0.4%采用了柴油发动机。20年前首次引入市场的柴油发动机给人们留下的记忆是噪音轰鸣、黑烟阵阵、气味难闻,因此,美国的轿车市场一直对其需求很小,与之相比,目前在欧洲销售的轿车中60%都配备了柴油发动机。但是,如果燃油价格继续上涨,我们可能就会看到消费者会转而青睐柴油发动机。
除了这些变化以外,在加工工艺中还有一种模式转变。在过去10年中,制造加工的速度一直在稳步提高。直到不久以前,还很少采用专用加工刀具,而且大部分加工机床也很少带有多个可选主轴。高速切削加工非常适合由成本驱动的大批量零部件生产,而这正是汽车制造业的特点。
蠕墨铸铁的优点是将灰铸铁的散热性与球墨铸铁的强度和弹性模量集于一身。然而,它具有一种形状类似于珊瑚虫的石墨结构,并具有大家公认比较难以控制的化学成分。随着制造商(尤其在卡车制造业)将蠕墨铸铁作为柴油发动机选用的材料,他们就面临着工件质量、难以预测的刀具寿命和停机时间等各种加工挑战,所有这些挑战都可能扼杀其盈利能力。但是,如果采用合适的刀具来加工这些材料,也许就能证明关于蠕墨铸铁的可切削性极不稳定的说法有些言过其实。
尽管聚晶立方氮化硼(PCBN)已被证明是一种性能卓越的切削刀具材料,在切削灰铸铁时可以达到几乎无限长的刀具寿命。但遗憾的是,用它加工球墨铸铁和蠕墨铸铁时,则会受到化学溶解作用的影响。在这些加工中,刀具材料与铸铁中更高的含铁量相互作用,从而会造成刀具快速磨损。这一难题推动了开发一种能够抵御化学作用的刀具牌号的需求。
为了加工这些新型铸铁材料,要求刀具既要提高耐磨性,又要具有非常好的韧性——而这两种性能是很难同时兼顾的。为了应对这种挑战,许多刀具制造商都在全力开发能提供这两种性能最优组合的刀具。
这些刀片大部分都是涂层牌号,它们将高硬度的CVD多层涂层、抗变形的硬质基体,以及富钴(以提高切削刃的韧性)的基体/涂层界面完美结合起来。设计这些粗加工用多层CVD涂层牌号是为了提高耐磨性和切削速度,使它们能用于加工具有高磨蚀性的铸件,这些铸件中可能存在夹砂、表面夹杂物、氧化物以及其他会引起刀具快速磨损的物质。

图1 具有断续加工表面的球墨铸铁离合器壳体

图2 用于大型柴油发动机的球墨铸铁

图3 灰铸铁材质的变速箱轴承罩
对这种CVD涂层牌号的加工现场试验结果很有意义。在对一种球墨铸铁支承零件进行内部断续粗加工时,与一种ISO-P20粗加工刀片相比,CVD涂层牌号的刀具寿命提高了2倍。在切削加工离合器零件的试验中,用山高刀具公司的TK2000铸铁加工牌号与该公司较老式的TP100牌号进行了对比,结果表明,每把TK牌号刀具加工的工件数增加了67%。如果将刀具成本与换刀时间考虑在内,这种刀具性能的提高可能意味着每年可节约加工成本2万美元。
尽管球墨铸铁和和蠕墨铸铁的应用在不断增加,但灰铸铁的应用依然强势。在汽车制造业,还会继续保留大量的灰铸铁加工(尤其是制动鼓和制动盘)。不过,如今的加工条件已经与过去有所不同,切削速度已经比10年前提高了大约305m/min。高速切削产生的更高温度可能会溶解切削刀片的涂层硬质合金,其方式与PCBN与铁素体之间产生的化学反应非常类似。为了防止涂层硬质合金受到破坏,并阻止切削热进入基体,刀具制造商正在不断增加刀具涂层中氧化铝层的厚度。此外,更重要的是改进这些多层涂层的结构,使其具备更好的韧性和耐磨性。
为灰铸铁的高速加工(切削速度可高达550m/min)而专门设计的耐热新牌号已经投入市场。这些用于高速切削的多层涂层中包含了氧化铝(Al2O3)厚涂层和高硬度的碳氮化钛(TiCN)层(它可使刀具长时间保持高耐磨性,以提高生产率)。在使用新型涂层耐热牌号粗加工灰铸铁制动盘零件的现场加工试验中(切削速度范围:400-658m/min),与使用氮化硅陶瓷刀片相比,刀具寿命提高了一倍,生产率提高了20%。这种生产率的提高是因为耐热牌号具有更好的切削刃韧性,使其能够采用比陶瓷刀片更高的进给率。
总之,所有这些因素都增加了对性能更优异的切削刀具的需求,人们要求这些刀具能够加工强度更高、磨蚀性更大的工件材料、可以采用更高的切削速度,同时能够提供一致的刀具寿命和确保零件质量——对于一枚刀片来说,这确实是很高的要求。
使用球墨铸铁使制造商有可能生产出重量更轻、体积更小的零件,同时又不会牺牲零件的强度;而与灰铸铁相比,蠕墨铸铁的机械强度和疲劳强度可以提高一倍。但遗憾的是,这些优点同时也带来了加工上的挑战。
与灰铸铁相比,球墨铸铁和蠕墨铸铁中含有更多的硅,而硅会增加材料的磨蚀性,并大大加快刀具的磨损速度。此外,这些铸铁的结构也与灰铸铁不同,灰铸铁中的石墨颗粒呈片状,使其比较容易切削。而球墨铸铁中包含的石墨颗粒呈球形,周围则是铁素体。在某些情况下,加工球墨铸铁需要消耗的刀片数量可能是加工灰铸铁时的3倍。
加工灰铸铁时需要考虑的另一个因素是,加工车间喜欢使用冷却液来控制由铸铁中的石墨产生的粉尘和污物,同时防止切削温度过高。因为大量切削热传入工件会使其产生热膨胀,从而造成过切。但不利的是,使用冷却液造成的温度波动可能会引起热裂纹,从而缩短刀具寿命。适合干式切削的耐热涂层牌号可以采用更高的切削速度和进给率,使工件在产生过多切削热之前就完成切削,而且它可以替代陶瓷刀片。在加工灰铸铁制动盘的干式切削现场试验中,与以前使用的陶瓷刀片相比,使用山高公司的TK1000牌号可使刀具寿命提高60%,生产率提高20%。

图4 加工灰铸铁和球墨铸铁的一个挑战是,即使是同一批次的工件,材料的可加工性也可能有很大差异。
在汽车制造业,从整车装配厂直到三级零部件供应商,都存在增加“熄灯生产”(即无人值守加工)的趋势,这种加工方式在大批量生产中相当常见。用户希望能在机床上装载工件后,就让它整晚自动运行进行加工,只需一台机器人来照管它。因此,刀具必须具有足够的可靠性,能使每次加工出来的工件有很好的一致性,尺寸变动量极小。
过去,用户的最大抱怨之一是各个批次铸铁工件的可加工性不一致。对于他们来说,加工第一批工件时,刀片的每个刀尖可加工100件,而加工第二批工件时,每个刀尖只能加工50―60件的情况并不鲜见。这种情况有些与铸铁成分的变化有关,有些则与气候有关——这些因素都是加工人员无法控制的。不过,许多刀具制造商都在努力开发能够解决工件材料可加工性不一致问题的刀具。目的是为用户提供能始终保持可加工的工件数量稳定——即使工件的可加工性存在差异——的刀具。提高韧性、强度和耐磨性将使这些新的刀具牌号能够适应工件材料的变化,同时能够解决近净成形零件加工的断续切削问题。如果刀具本身具有很高的可靠性,就不需要对工件材料的可变性进行监测与调整。
对于美国汽车制造业来说,对灰铸铁加工的绝对需求量使其仍然是一个至关重要的细分市场,尽管事实上这种加工很多已经转移到了海外。为了与这种趋势相抗衡,刀具制造商将继续开发有助于创新加工工艺的专用刀具。这些新型刀具将满足重量更轻、强度更高的工件材料(如球墨铸铁、蠕墨铸铁,乃至铝合金和镁合金)的加工需求,而这些材料的加工市场正在快速增长。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2010年第3期
上载于:2012-12-21 14:40:03

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