切削加工蠕墨铸铁(CGI)的挑战
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蠕墨铸铁(CGI)更难以加工的一个原因是它的拉伸强度是灰铸铁的2~3倍。在铣削加工中,较高的拉伸强度将转化为较高的切削力,加工蠕墨铸铁所需要的加工功率比加工灰铸铁要高约15%~25%。
蠕墨铸铁(CGI)在柴油机和赛车发动机零件上的应用正日益增多。为了有效地切削加工这种极具挑战性的材料,刀具的选择至关重要。
性能强韧的工件新材料的不断发展,正在驱使刀具制造商去开发新的刀具几何形状、硬质合金牌号和涂层技术。例如,为航空工业服务的加工车间必须找到加工5553钛合金和复合材料的有效手段。同样,医用零件加工车间则需要加工PEEK聚合体、不锈钢及其他特殊材料。而在汽车制造业,一种典型的难加工材料就是蠕墨铸铁(CGI)。这种材料主要用于制造发动机缸体、气缸盖以及通常用于大型柴油机卡车的轴承盖铸件。由于蠕墨铸铁的重量比传统的灰铸铁轻一半,因此对于汽车来说具有更高的燃料能效。此外,其强度和刚度比灰铸铁高一倍,从而可以设计出壁厚更薄的发动机缸体。因此,一台装配好的蠕墨铸铁发动机的重量要比灰铸铁发动机减轻9%左右。

图1

图2
蠕墨铸铁的应用在欧洲已有较长时间,在美国也已经被越来越多的人所接受。蠕墨铸铁能够承受柴油发动机的最高燃烧压力,而采用铸铁气缸套的铝制发动机缸体则做不到这一点。某些高性能的V型赛车发动机也采用蠕墨铸铁制造,不仅因为可以减轻重量,而且还可以提高刚性(尤其是气缸之间凹陷处的刚性)。
蠕墨铸铁更难以加工的一个原因是它的拉伸强度是灰铸铁的2~3倍。在铣削加工中,较高的拉伸强度将转化为较高的切削力,加工蠕墨铸铁所需要的加工功率比加工灰铸铁要高约15%~25%。因此,有些原来加工灰铸铁的车间需要转产加工蠕墨铸铁时,可能会出现机床功率不足的问题。此外,加工蠕墨铸铁还会面临以下挑战:
  1. 蠕墨铸铁的热传导率相对较低,因此加工时产生的切削热积聚在工件中,反过来会影响刀具的磨损。与此相反,灰铸铁具有较好的热传导性,加工时切削热容易被切屑带走。
  2. 蠕墨铸铁零件的铸造硬皮具有铁素体结构,容易与刀具切削刃发生粘结作用。而灰铸铁的铸造硬皮为珠光体结构,因此不会发生粘结。
  3. 与灰铸铁不同,蠕墨铸铁中不包含硫化物。灰铸铁中的硫化物沉积到刀具切削刃上,可以起到润滑作用,有利于延长刀具寿命。
  4. 在蠕墨铸铁的铸造工艺中,加入了钛作为合金元素,从而产生了强度较高的铸造外皮,同时也在整个铸件中形成了具有磨蚀性的游离碳化物。蠕墨铸铁中的合金元素含量对其可加工性以及刀具寿命具有很大影响。
由于上述原因,用于切削蠕墨铸铁的刀具寿命通常只有切削灰铸铁刀具寿命的一半。

铣削与镗削

与灰铸铁相比,蠕墨铸铁的铣削加工表面光洁度(Rz)可以提高大约50%,这就意味着可以减少可能需要的加工工序,或者可能不需要使用精加工刀具来获得要求的表面光洁度。在加工中,当刀具退出切削时,蠕墨铸铁工件的边缘不会发生破损;而灰铸铁工件则可能产生崩损,当破损严重时,就可能导致缸体报废。蠕墨铸铁在这方面的特性与钢比较类似,即会产生毛刺但不会产生崩损。
由于利用常规工艺加工蠕墨铸铁时,必须采用较低的切削速度,因此可能需要花费比切削灰铸铁几乎长三倍的加工时间。为了确定更高效的蠕墨铸铁加工方法,山特维克公司进行了许多试验。对于铣削加工,确定的最佳刀具材料是涂层硬质合金,涂层采用厚层氮碳化钛(TiCn)和氧化铝(Al2O3)。厚涂层的厚度为7~10µm,薄涂层的厚度一般为2~3µm。
蠕墨铸铁铣削试验结果
加工机床Heller PFV2
切削深度3mm
吃刀长度80mm
切削速度130m/min
转速414r/min
进给率298mm/min
每齿进给量0.36mm
刀片数量2(用于试验)
铣削总面积3.08m2
刀具寿命130min(全吃刀)
每个刀片寿命1.54m2
山特维克公司进行的蠕墨铸铁铣削试验结果如右表所示。该试验采用为加工铸铁而设计的CoroMill 365铣刀加工一个液体控制零件。所用的厚型刀片为12°正角刀片,但它安装在负角度的刀座上,从而形成了较小的正切削角。它也允许采用密度较高的刀片排列方式,以获得尽可能高的生产率。
对于蠕墨铸铁的车削和镗削加工,山特维克公司推荐采用具有高耐磨蚀特性的硬质合金基体,加上采用中温化学气相沉积(CVD)工艺制备的耐磨厚涂层。试验表明,用CBN刀片镗削蠕墨铸铁的刀具寿命仅为镗削灰铸铁时的1/10。此时,采用小正角(5°~10°)的刀具几何形状比较恰当,并推荐在加工蠕墨铸铁时不使用冷却液。
山特维克公司与Makino公司合作开发了一种镗削工艺,能够通过一次走刀完成粗镗缸孔的精加工。为此而开发的多刀片刀具称为长刃刀具(Long-Edge Tool)。该刀具按螺旋路径向下进给切入缸孔,据说精镗一个缸孔所用的时间与加工灰铸铁缸孔大致相当。后续的珩孔加工就是发动机装配前的最终工序。
在开发这种新的精镗工艺时,山特维克公司和Makino公司确定,粗加工最好采用传统的单头铣刀,刀片采用Si3Ni4涂层和专为镗削蠕墨铸铁而优化的几何形状。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2008年第4期
上载于:2011-1-17 15:00:01

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