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蠕墨铸铁的高速加工 |
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作者：兰姆技术公司 George Georgiou |
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蠕墨铸铁(CGI)的高速加工是与刀具、机床和加工工艺的结合相互依赖的。随着获得更多试验数据，更进一步证实这种相互依赖的关系是非常重要的。CGI高速加工原理和回转刀片独特的切削机理说明了该系统的高速与刀具寿命优点。机床、刀具与零件的优化都是影响高效加工性能的关键因素。
一、金相组织的影响
相同的金相组织形态使CGI具有更高的抗拉强度而且更难于剪切。为更好了解CGI难于加工的原因，首先需了解灰铸铁为什么具有易加工性，球墨铸铁较难加工，而蠕墨铸铁最难加工。
1. 灰铸铁切屑的形成
在灰铸铁中，石墨呈絮片状(图1)。石墨片是由于含碳量过饱合、高温和存在硅而形成的。片状石墨是一种有助于切削加工的软性杂质。
图1 灰铸铁中典型的絮状石墨
(照片由SinterCast公司的S.Dawson博士提供)
因石墨形状和石墨腔体尖锐边缘造成的断层线赋予灰铸铁脆性和低抗拉强度的特性。刀具剪切力沿此断裂线前进，所产生的机械剪切力较小。
如同后刀面不总是与已加工面保持接触一样，刀刃也不是始终与切屑保持接触。位于剪切点的材料在新的剪切力作用下，沿此断裂线碎裂，至于是在水平面还是在其水平面下则取决于最小抗力。暴露的石墨腔会失去其中的石墨，成为切屑流与刀具前面和后刀面与新创成表面之间的润滑剂。类似灰铸铁这样的脆性材料，其加工的边缘易于损坏，即所谓崩落(图2)。
图2 灰铸铁的断裂切屑
(照片由Darmstadt大学的U.Reuter PTW提供)
随着刀刃的切入，导致压力增大的磨损带会使铸件边缘撕裂的可能性增大。由于石墨腔体尺寸和断层线的排列，边缘的显微结构的弱化可以降低使加工边缘断裂或崩落所需的刀具压力负荷。
用手拂过灰铸铁的已加工表面，会扫掉灰铸铁表面暴露的腔体中灰色的石墨粉末。由于已加工表面呈灰色并可以沾染接触物这一特点，就是灰铸铁名称的由来。
2. 球墨铸铁的切屑形成
球墨铸铁中石墨物理结构的形态，与灰铸铁相比正好相反。
正如其名，球铁中的石墨在铁的凝固过程中，由于受到合金化添加剂(主要是镁)的作用，结成圆结或球状(图3)。
图3 球墨铸铁中的球状石墨
在球墨铸铁中，不存在灰铸铁中那种会造成应力增大和断裂线。石墨腔之间的基材也不会出现灰铸铁那样的断裂。如图4所示，球状石墨在刀具载荷压力的作用下会在变成切屑分离之前发生变形。
图4 球墨铸铁的连续切屑
这种微观结构会产生灰铸铁所不具备的延展性。因此，刀刃必须产生连续的作用力，达到基材的抗剪强度，才能生成切屑。工件材料形成钢切屑一样的连续切屑在刀刃上流过。
由于材料的机械剪切强度较高和连续磨擦(不似灰铸铁的断裂/剪切过程)，故剪切区的生热量高于灰铸铁。由于球铁的散热性较差，又增大了磨擦。球铁的导热率仅为灰铸铁的58%。球铁导热性并不是其不能用于制造缸体缸盖一项最重要的原因。在切削方面，这还会降低切属的散热能力，不能将切削区产生的热量很快散去。
其延展仕不可能造成灰铸铁加工那样的断裂，但总会产生毛刺。由于刀刃会因磨擦而变钝，随着刀具后刀面的磨损，压缩载荷的增大，毛刺尺寸随之增大。
3. 蠕墨铸铁(CGI)的切屑形成
蠕墨铸铁(CGI)中的石墨呈珊瑚或蠕虫状(图5)，是因为使用了精确量的镁，使片状石墨边缘紧缩成圆形，但其紧实程度与球墨铸铁不同。
图5 CGI的蠕虫形石墨
这种金相结构不会如灰铸铁一样，会在加工中使应力增大和产生断裂线，而且不会像球墨铸铁那样，造成导热率的损失。这种特性使CGI成为一种制造发动机高强度部件的材料。其加工特性介于球铁延展性与灰铸铁脆性之间，切屑为部分断裂(图6)。
图2 CGI的半连续形切屑
Lamb公司及其它工业研究机构所做的试验表明，与灰铸铁相比，加工CGI所需机床功率要增大10%～30%。这种功率增大量与对比时所用铸铁有关，例如，加工非合金化铁素体灰铸铁所用功率要比加工高合金珠光体灰铸铁时的低。
与灰铸铁一样，CGI的剪切是经抗剪力最小的石墨腔体发生的，但不同于灰铸铁切削中于石墨腔锋锐角落产生裂纹，圆形边缘的切削需要更大的切削力。软质石墨之间的基材的剪切极似球墨铸铁的切屑形成过程。CGI的导热率为灰铸铁的78％，这会加大刀具的热磨损效应，但不会达到切削球墨铸铁时的程度。CGI的延展性好，抗拉强度和疲劳强度约为灰铸铁的两倍，这会使其更易产生毛刺。
1) 热化学反应
在以100m/min的低速进行铣削和以80m/min的速度进行钻削加工时，加工CGI的刀具磨损接近于加工灰铸铁。最严重的刀具寿命问题发生在连续用氮化硅和PCBN的高速加工CGI时。
PTW Darmstadt的研究揭示，高速加工时，灰铸铁中的锰和硫会形成硫化锰(MnS)保护层，在刀具表面形成润滑层(参见图7a)。 
a)显示出MnS层 b)无保护层的刀刃失效
图7
MnS已广泛应用于改善材料的可加工性上，包括应用MnS生产易切削钢材。基于以前的加工经验，将MNS掺入粉末冶金连杆中，可加工性能提高10倍。CGI的化学元素包括在固化时用于使石墨定型的镁。然而，镁与硫具有很好的亲合性，二者混合时会迅速燃尽。为此，CGI和球墨铸铁都使用脱硫铁来稳定这种反应。这种铁中硫的含量只有灰铸铁的1/10，不足以生成MnS保护层。没有MnS层的润滑作用，机械摩擦生成的热，会迅速使刀刃失效(参见图7b)。
2) 低速间歇加工参数
这种金相的合金需要阻止MnS杂质用于辅助加工，这正是业界没有预见到高速加工CGI材料的根本原因。业界接受的镗削方案是以低表面速度(100～150m/min)和大进给量切削，以期弥补生产率的损失(与灰铸铁加工相比)。
3) 低速的影响
通常，在低转速加工时，刀具需要大的功率、刚性主轴和刚性装夹。当前，普通发动机缸体加工机床和刀具尚未达到某些CGI加工所要求的大进给推力的水平。
现在要求CGI零件设计必须能够承受这类新的加工载荷。因此，在大多数情况下，零部件加工载荷的有限元分析已与部件功能的有限元分析同样重要。在当前的深裙式发动机缸体加工程序中，Lamb公司已在缸孔粗镗时达到缸体本身的支承极限。
这种低主轴转速和大进给率的加工策略并不适合这种结构的缸体加工和CGI导致的负荷增大。
应用提高速度和减小进给率的能力可能会回到接近灰铸铁零件加工负荷。当前的普通切削刀具不能有效地用于这类温升较高的加工。因此，需要一种它所能承受的切削工艺。
二、CGI高速加工
结合高刚度机床和独特的刀具轨迹处理进行的刀具技术二次开发，使CGI的高速加工成为可能。(通常高速加工一词是指具有“稳定波形”的加工速度，本文中仅用于强凋此项技术在“一个数量级”上速度的优势。)
1. 高速镗削
对回转式镗刀进行了改装，使之适合现有几何形状并进行了多层次开发，经过验证并取得了专利，消除了早期的不合理之处。由U.Reuter博士在PTW进行的一次特殊试验，使这种回转刀具达到800m/min的速度，是唯一具有很长寿命的刀具。现在Lamb公司的一项研究课题主要是进一步改进和扩大这项技术。
图8 以800m/min的高速铣削CGI零件
2. 高速铣削加工
Lamb公司研发机构所进行的铣削实验获得了成功(参见图8)试验是使用烧结的(SinterCast)CGI试件，在Lamb公司的Jaguar 630立式加工中心上进行的。试验的目的是评价回转粗铣刀具的磨损。其试验所用切削参数为：铣刀直径150mm，转速800m/min，切削深度5.0mm，每刀齿进给量为0.2mm。由于试验材料来源限制，只在9min时间内切出了100kg的切屑(图9)。在整个切削时间内，放大150倍观察，未发现刀刃有明显磨损。试验误差通常已予排除，但下述试验结果的数据还值得一提。
图9 加工功率和时间关系
在使用氮化硅刀片时，切削3.5min.后出现了切深误差。机床技术人员错失了关键的用15mm的切深代替5mm切深的试验参数。这些信息对于进一步确定试验条件是很有用的。主轴功率记录：在每个刀齿进入切削时为28kW。零件表面光洁度没受任何影响，刀具和机床也未发现明显的可见振动。刀具和机床具有足够的刚度来有效地传递这种巨大载荷，未出现机械故障。
三、传统刀具与回转刀具切削时切屑形状对比
为更好理解回转刀具为什么能以800m/min的速度加工井具有较长的刀具寿命，需要观察切屑的形成过程。
图10(左右)中再次观察了前边提到的金相组织的切屑形状，并对传统刀具和回转刀具的切屑形成过程做了对比。对于传统刀具(图10a)通过刀片施加切削力，直至达到材料的抗剪强度。前刀面的切屑流阻力和后刀面的磨损摩擦力相加，构成刀具所需的总功率。在简化的正交模型中，出现三个方面的热源，最为明显的是剪切和前刀面发热区。锋利刀具没有后刀面磨损，因而开始时发热量很低。如果任其刀刃全面磨损发展下去，则会成为最严重的发热区。三个发热区均产生并集中于切削刃部。热很快成为刀具失效的主要原因并已成为所有刀具材料发展的主要因素。
a)传统刀具切削时切屑形成过程 b)回转刀具切削时切屑形成过程
图10
回转系统具有在回转运动中强化剪切力和切屑流的优点。阐述这方面刀具长处原因的论文很多。其主要原因是，磨损沿圆形刀片75mm的周长平均分布，这就是优于固定刀片的主要优点。另一主要原因是其受到热效应的切削点快速转过发热区，新的切削点转到发热区。
由于刀具切削性能差异很大，利用此概念也许可以在转速为800、1000和1200m/min时做进一步的证明。但无论何种普通刀具均立即损坏。在阐述回转切削过程时，就可做出明确解释(图10b)。切屑以预定速度沿刀片表面流动，切屑剪切速度约为实测刀具回转圆周速度的十分之一。该切削流动力伴有很小的一个剪切力分量共同作用，在其回转轴线上推动刀片转动。如图10a所示，刀具前刀面和切屑底面之间的摩擦运动不是很大。常规刀具切削中作为主要发热源的前刀面摩擦发热，在回转型刀片刀具的切削中减小到不太明显。
现在，我们考虑了三种可能的综合答案：磨损分布在整个周边上，连续转过发热区消除了前刀面的摩擦发热区，因而，我们可以理解在CGI切削中达到的改善程度。这种独特的回转切削工艺是唯一能解决CGI高速加工的方法。
与低速碳素材料应用相比，现场数据表明，加工灰铸铁时，刀具寿命可提高10至20倍。例如，北美一家汽车制造厂，在运行了85000次循环后，后刀面的磨损仅为0.127mm，而传统刀具只用了5000次加工循环，后刀面就已严重磨损。
四、机床应用
一旦正确设计了适合工件材料和作业要求的刀具，下一环节就是机床。Lamb公司所做的高速CGI加工试验是在静动刚度具佳的四导轨滑枕机床上进行的。理论上，失效是由于回转运动暂停造成的，这会造成某种机械偏差。高速运行中，每次故障都会在已加工表面上留下刀具偏差的痕迹。这个痕迹说明，要成功地运行，需要很高的刚度。这种痕迹出现在上述切深为15mm发生误差时，经分析，是机床刚度不够。
1. 关于工装
CGI零件比灰铸铁更易发生毛刺，工装设计必须确定相关因素，使较高成本的加工，实现合理的磨损。夹具定位装置的合理设计，尽可能限制毛刺的产生。材料运送要安全，要保证刀具整个磨损带能完成粗加工过程，而不是在刚达到刀具预期寿命的10%就使其报废。最短刀具寿命成本分析表明，去毛刺工序成本更高，所以要在刚一出现毛刺时就应该换刀。
当前的高速铣削和镗削方案中，使用的是13.5mm大半径，这可提供更好的有利切削的刀具角度，有助于最大限度减小毛刺。大半径形状可使材料边缘结构有足够的强度，抗住切削终了时的偏差。切削终端的工件材料仍留在原位，以待进一步加工，因此能最大限度减小毛刺尺寸。
2. 关于噪声
CGI加工时降低ZdB的噪声，部分是由于材料强度并在较低的程度上，降低了阻尼特性。这些数据是从严密控制的生产机床、试验得到的，并用外部数据得到证实。传统上，铣刀配用刚性机床的加工，在顺铣时一般可得到延长刀具寿命的结果。由于“顺铣”方法可在切入时使刀片切到最大厚度的切屑，并以比进给快的速度转过被加工材料，从而消除了后刀面摩擦。铣刀刀片在切人时承受最大冲击，而导致冲击振动最大(图11)。这种振动会通过机床，最重要的是通过工件传导。对所有材料来说，减小振动就会减小铣削过程的振幅和声响，对CGI材料更是如此。
图11 与顺铣相比在逆铣中冲击负荷仅为15%
由于这种高速铣削方案的独特的回转切削过程，受“逆铣”型磨损的影响较小，而具有固有优势。现在，我们可以能降低铣削冲击负荷的较小的切入角度切入工件。这种加工过程具有能吸收掉CGI材料的2dB声音损失的绝大部分。
软切入还具有因降低了冲击负荷从而延长了主轴轴承寿命、和提高了薄壁件表面质量的优点。
3. 高速加工的经济性
典型的CGI材料缸体零件中批量粗铣加工系统，它能最佳地展示“单件”加工成本的差别。最终粗加工包括：所有需加工的表面和缸孔的粗加工。基础设备成本按使用加工速度为100至150m/min的传统工装的加工参数计算。建议还采用800m/min的速度进行铣削和用400m/min的速度镗削缸孔。(以下所有费用均按美元计算)：
低速加工基本费用=$10，000
高速等效加工费用=$7,000
3年单件成本节省=$6.67/件
5年单件成本节省=$4.00/件
7年单件成本节省=$2.85/件
现有的研究数据表明，回转刀具系统具有单件成本优势，而CGI材料工件的生产数据还有待进一步证明。但是，我们已经有了灰铸铁的生产数据。数据表明，刀具寿命可以提高17倍，也就是说可以减少17次换刀。若考虑到减少17次换刀的时间和采用较低档的自动换刀系统的话，对于自动线生产来说，这所涉及的生产成本将是很大一笔开销。
五、结论
若在具有正确参数的高刚度机床上使用回转刀具系统并辅之以有创造性的刀具轨迹程序，对CGI材料进行高速加工是可能的。现在有很多问题都是Lamb公司研究与开发项目中课题，同时，Lamb公司有能力解决任何生产问题，以最快的速度和低风险地将此项技术应用于生产车间。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(11/28/2006) |
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