難切削材料（冷硬鑄鐵）加工技術（三）

楊帥

概述　　冷硬鑄鐵和耐磨合金鑄鐵是生產中常用的耐磨材料。冷硬鑄鐵也稱激冷鑄鐵，它是在鑄型中放置冷鐵，以加快鑄件的冷卻速度而得到的。冷硬鑄鐵的典型化學成分為：C含量3%～3.5%，Si含量0.5%～0.7%，Mn含量0.5%～0.7%，P含量<0.4%，S含量<0.07%。冷硬鑄鐵的特點是表面部分發生白口化，硬度和耐磨性大大提高，內部仍保持灰口組織，以防整體脆化。激冷表層硬度達HRC60左右，壓延機軋輥就是一例。
1 a3 W2 _* i! C! ^' @  Q　　激冷鎳鉻鑄鐵也屬此例。激冷鎳鉻鑄鐵Ni含量為4%，Cr含量為1.1%，Ni使珠光體與石墨細化，增加了鑄鐵的強度與耐磨性。加入Ni還能提高熱強性。激冷鎳鉻鑄鐵的硬度可達HRC60，常用來制造軋輥。
　　高鉻鑄鐵是高溫耐磨鑄鐵，其典型成分為：Cr含量22%～25%，Si含量1.2%，Mn含量0.3%～0.75%。Cr的加入可提高鑄鐵的耐磨性，因為Cr能在鑄件表面形成致密的保護膜Cr2O3。Cr的加入也生成碳化物，提高了鑄鐵的硬度與強度。高鉻鑄鐵可用來制造在800℃以上高溫下工作的耐磨件。
' l2 {  Z1 I$ T- T　　鉆探中用的泥漿泵，是用耐磨合金鑄鐵Crl5Mo3制造的，其硬度達HRC62，是目前最難切削加工的金屬材料之一。
冷硬鑄鐵和耐磨合金鑄鐵的切削加工特點　　(1)冷硬鑄鐵和耐磨合金鑄鐵是典型的硬脆材料，表面硬度很高。粗加工時，單位切削力達3000MPa，強烈的沖擊極易引起振動，加劇刀具的磨損。
6 R9 z: _9 m, O7 D/ J; x) B　　(2)冷硬鑄鐵常被用來制作各種軋輥，結構尺寸大，加工余量也大，車削時要采用較大的切削深度和進給量，對刀具的強度和工藝系統剛性要求較高。
) [2 l0 j4 e* V* Z- e& G5 \8 }　　(3)冷硬鑄鐵和耐磨合金鑄鐵具有高硬度和較高的熱強度。特別是大件，切削時刀具連續工作時間長，刀具的溫度很高，容易出現刀體變形或焊接刀片開焊的現象而使刀具損壞。
　　(4)冷硬鑄鐵表層組織為白口，性質硬而脆，當刀具切入或切出時，容易出現崩邊現象，造成廢品或損壞刀具。
　　(5)毛坯表面加工余量不勻和氣孔、砂眼等鑄造缺陷使切削時沖擊較大，也容易損壞刀具。
　　(6)冷硬鑄鐵和耐磨合金鑄鐵的切屑呈碎狀，且瞬時溫度很高，應防止崩入眼內，造成對操作者的身體傷害。
切削冷硬鑄鐵和耐磨合金鑄鐵的刀具材料　　根據冷硬鑄鐵和耐磨合金鑄鐵的切削加工特點，要求刀具材料紅硬性高、耐沖擊、耐磨性好、抗彎強度高、導熱系數大。可選用含TaC或NbC的K類新牌號硬質合金，如726，YS2，YM0511，YM052、YM053等，切削效率和刀具耐用度比使用YG3、YG6、YG6A等高得多，也可選用陶瓷和立方氮化硼刀具材料。
切削冷硬鑄鐵和耐磨合金鑄鐵的刀具參數　　冷硬鑄鐵和耐磨合金鑄鐵的硬度、強度都很高，切削時多是粗加工的斷續切削，要求刃口有足夠的強度，應選擇負前角和較小的后角。且不同刀具材料應選擇不同的合理前角、后角值。例如，YW1取γ0=-5?！?。，α0=5?！?0。；643取γ0=-5。，α0=10?！?5。；PCBN取γ0=-10?！?。，α0=6。～8。；陶瓷刀片取γ0=-15。～-5。，α0=6?！?0。
* o4 K% e5 r2 ~( s: r　　切削冷硬鑄鐵和耐磨合金鑄鐵時，單位切削力大，切削溫度高。為了減小單位切削刃上的負荷，改善散熱條件，減少崩刃，提高刀具耐用度，宜選用較小的主偏角和負刃傾角。一般κr≤45。，硬質合金刀片λs≤-6。；陶瓷刀片λs=-10?！?5。。刀尖圓弧半徑可大些，γε≥1.0mm。機床剛性較差或精加工時，也可適當加大主偏角，減小刀尖圓弧半徑。對于陶瓷刀片和PCBN刀片，刃口應有負倒棱，γ01=-30?！?20~，bγ=0.2～0.3mm。
切削冷硬鑄鐵和耐磨合金鑄鐵的切削用量　　根據冷硬鑄鐵和耐磨合金鑄鐵的切削加工性能，在選擇切削用量時，必須考慮切削用量對刀具耐用度的影響。根據不同的切削對象和刀具材料，切削速度、進給量和切削深度應進行合理組合。
　　采用硬質合金刀具時，應選用較低的切削速度，適當加大切削深度并盡可能減少走刀次數，以提高刀具耐用度。粗車時Vc=8～12m/min，αp=5～10mm，f=0.5～1.0mm/r；半精車時，Vc=15～20m/min，αp=0.5～2mm，f=0.1～0.3mm/r。
　　采用陶瓷刀片應取較小的進給量和盡可能高的切削速度，一般Vc=40～60m/min，αp=0.5～2mm，f=0.3～0.6mm/r。
　　采用PCBN刀片時，切削速度可以提高到70～80m/min，αp=0.5～2mm，f=0.1～0.3mm/r。
# J$ @, a, \& y4 [7 G& {0 o2 ^& U用氮化硅陶瓷刀片車削冷硬鑄鐵的特點　　氮化硅陶瓷具有高硬度(HRA94)、高強度(抗彎強度為1050～1450MPa)、良好的自潤滑性能、低摩擦系數及抗粘接性能。使用氮化硅陶瓷刀具車削冷硬合金鑄鐵有以下優點：
　　(1)切削速度高：冷硬合金鑄鐵的硬度為HRC50～52(HS67～70)，用YG8硬質合金刀具車削，切削速度為5m/min左右。而用氮化硅陶瓷刀具時切削速度則是25～35m/min，為硬質合金刀具的5～7倍。又如，用硬質合金刀具車削冷硬鑄鐵軋輥(HS71～73)，切削速度為6.8m/min，而用氮化硅陶瓷刀具時切削速度為23m/min。
) l1 E' g4 Y/ h2 Y　　(2)耐用度高：用YG8硬質合金車削冷硬合金鑄鐵(Vc=5.3m/min)，當后刀面磨損0.8mm時，切削路程為360m；而用氮化硅陶瓷刀具以28m/min的切削速度，后刀面磨損0.8mm時的切削路程為2560m；再將切削速度提高到34m/min時，在相同的后刀面磨損情況下，切削路程則是2340m?？梢?，在相同的磨損情況下，從切削路程來看，氮化硅陶瓷刀具的耐用度為硬質合金的6～7倍。用氮化硅混合陶瓷F85車冷硬合金鑄鐵軋輥的刀具耐用度是YG3、YG6硬質合金的5～16倍。
' Y: X' S- S2 x+ p# Y" j+ ^+ l用立方氮化硼刀片切削冷硬鑄鐵的特點　　立方氮化硼(CBN)刀具，由于硬度、耐磨性和耐熱性高于硬質合金和陶瓷等刀具材料，可以使用較高的切削速度切削硬度高(HS58～68)的冷硬鑄鐵，其切削效果明顯高于使用其他刀具材料。
　　(1)切削速度高：用DLS—F立方氮化硼復合片切削球墨冷硬鑄鐵，可以使用較高的切削速度。刀具幾何參數為γ0=-3。，α0=8。，κr=84。，λs=0。，γε=0.6mm，γ01=6。，bγ=0.3mm。當Vc=60m/min，αp=0.3mm，f=0.22mm/r時，切削160min后，后刀面只磨損了0.16mm。而使用YG6X硬質合金刀具的切削速度只有6.6m/min，僅為立方氮化硼刀具的1/9。
# y, m: V5 b( ?7 ^: a- j　　(2)耐用度高：用立方氮化硼圓刀片，以Vc=40m/min、f=0.16mm/r的切削用量加工HRC55的冷硬鑄鐵，刀具耐用度為500min，而用陶瓷刀具加工時刀具耐用度只有5min。立方氮化硼刀具的耐用度是陶瓷刀具的100倍。
* Q6 z/ ]4 z( Z  r　　(3)加工精度和表面質量好：用硬質合金刀具車削HRC50的表面噴涂冷硬鑄鐵軋輥，當Vc=20m/min、αp=0.3mm、f=0.22mm/r時，圓度誤差高達0.5mm，表面粗糙度Ra為12.5μm；而使用立方氮化硼刀具車削，切削速度提高了，圓度誤差很小，表面粗糙度Ra小于0.8μm。
1 D! `: T7 {8 h7 R- n　　(4)金屬切除率高：用立方氮化硼刀具切削冷硬鑄鐵軋輥，可以獲得極高的金屬切除率。例如，當Vc=6lm/min、αp=/mm、f=0.94mm/r時，金屬切除率達400cm3/min，刀具幾乎沒有磨損。
& v3 d9 o! |" Z) I　　(5)可以代替磨削：ASH離心式泥漿泵是用極耐磨的鎳鉻白口鐵制造的。這種材料極難切削，以前認為只能用磨削加工，但磨削時的高溫會使工件產生熱裂紋?，F在可以采用立方氮化硼復合片以車代磨。這種刀具抗彎強度高，經得起沖擊載荷。采用PCBN圓形刀片，粗車時，Vc=55m/min，αp=3mm，f=0.25mm/r；精車時，f=0.2mm，表面粗糙度Ra為0.8μm。
　　此外，還可以銑代磨加工鎳鉻白口鐵，也采用圓形帶倒棱的PCBN復合片做成銑刀，以Vc=175～225m/min、αf=0.1～0.25mm/z、αp=0.5～2.5mm的用量進行銑削，表面粗糙度Ra可達2～2.5μm。[1]
% g, v3 H- |: T切削冷硬鑄鐵和耐磨合金鑄鐵實例　　(1)車削軋輥：工件材質為冷硬鑄鐵，刀具材料為YG6X硬質合金，刀具幾何參數見圖6-1。切削用量為Vc=5～7m/min，αp=3～6mm，f=1.5～2.5mm/r。
! c: j! Q1 h( q2 R: w: d　　(2)精車冷硬鑄鐵軋輥：采用聚晶立方氮化硼復合片作為刀具材料的車刀，如圖6-2所示。這種刀片硬度高，耐磨性和耐熱性大大高于硬質合金，適于精車高硬度冷硬鑄鐵軋輥。車削時切削用量為：Vc=50～70m/min，αp=0.5～1mm，f=0.2～0.4mm/r。工件表面粗糙度Ra為3.2～1.6μm。加工效率為硬質合金刀具的10倍以上。
# v1 F% o* u2 B! e, a　　(3)銑削白口鐵：刀具材料為Si3N4陶瓷圓形刀片，機械夾固在銑刀盤上。刀具的切深和進給前角為-10°。切削用量為：Vc=70～90m/min，αp=1～2mm，Vf=160～230mm/min。加工后表面粗糙度Ra為6.3～3.2μm。
: j6 J% a8 }. ?5 S% y　　(4)車削高鉻鑄鐵：被切削材料的硬度為HRC46～50，采用YD15超細顆粒硬質合金刀具進行車削。在切削用量為Vc=30～40m/min、αp=3～4mm、f=0.8～1.5mm/r的條件下，刀具耐用度比采用YG6刀片高近10倍。
　　(5)車削軋輥：工件材質為冷硬鑄鐵，硬度為HS70～72。刀具材料為Si3N4陶瓷，刀具幾何參數為：γ0=-14。，α0=6。，κγ=30。，λs=-5。，γε=1.2～1.5mm，γ01=-20。～-15。，bγ=0.2～0.3mm。切削用量：粗車時Vc=55m/min，αp=3.75mm，f=2.6mm/r；精車時Vc=34m/min；αp=0.2mm，f=1.2mm/r。


補充內容 (2011-12-2 12:04):
: L# O6 I4 D% @" I4 e! ?  \冷硬鑄鐵夾渣、斷續車削等加工難題參照 HLCBN網站

南方祥云

學習了 謝謝！

楊帥

南方祥云 發表于 2012-6-9 09:48
0 K- k. Y/ a: x5 }  q$ c學習了 謝謝！

: \, n( F2 }( `, E冷硬鑄鐵切削視頻：http://v.youku.com/v_show/id_XNDQwMDc1MzM2.html