难切削材料（冷硬铸铁）加工技术（三）

杨帅

概述　　冷硬铸铁和耐磨合金铸铁是生产中常用的耐磨材料。冷硬铸铁也称激冷铸铁，它是在铸型中放置冷铁，以加快铸件的冷却速度而得到的。冷硬铸铁的典型化学成分为：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%。冷硬铸铁的特点是表面部分发生白口化，硬度和耐磨性大大提高，内部仍保持灰口组织，以防整体脆化。激冷表层硬度达HRC60左右，压延机轧辊就是一例。
　　激冷镍铬铸铁也属此例。激冷镍铬铸铁Ni含量为4%，Cr含量为1.1%，Ni使珠光体与石墨细化，增加了铸铁的强度与耐磨性。加入Ni还能提高热强性。激冷镍铬铸铁的硬度可达HRC60，常用来制造轧辊。
　　高铬铸铁是高温耐磨铸铁，其典型成分为：Cr含量22%～25%，Si含量1.2%，Mn含量0.3%～0.75%。Cr的加入可提高铸铁的耐磨性，因为Cr能在铸件表面形成致密的保护膜Cr2O3。Cr的加入也生成碳化物，提高了铸铁的硬度与强度。高铬铸铁可用来制造在800℃以上高温下工作的耐磨件。
　　钻探中用的泥浆泵，是用耐磨合金铸铁Crl5Mo3制造的，其硬度达HRC62，是目前最难切削加工的金属材料之一。
/ k4 ]2 ]! |8 F5 ]$ \$ g% {- ~冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的切削加工特点　　(1)冷硬铸铁和耐磨合金铸铁是典型的硬脆材料，表面硬度很高。粗加工时，单位切削力达3000MPa，强烈的冲击极易引起振动，加剧刀具的磨损。
4 ?0 F$ u3 k! f- j% O　　(2)冷硬铸铁常被用来制作各种轧辊，结构尺寸大，加工余量也大，车削时要采用较大的切削深度和进给量，对刀具的强度和工艺系统刚性要求较高。
　　(3)冷硬铸铁和耐磨合金铸铁具有高硬度和较高的热强度。特别是大件，切削时刀具连续工作时间长，刀具的温度很高，容易出现刀体变形或焊接刀片开焊的现象而使刀具损坏。
　　(4)冷硬铸铁表层组织为白口，性质硬而脆，当刀具切入或切出时，容易出现崩边现象，造成废品或损坏刀具。
　　(5)毛坯表面加工余量不匀和气孔、砂眼等铸造缺陷使切削时冲击较大，也容易损坏刀具。
8 ?# x2 B" n( X7 B　　(6)冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的切屑呈碎状，且瞬时温度很高，应防止崩入眼内，造成对操作者的身体伤害。
) k# w8 Q/ R" t: V& r$ f切削冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的刀具材料　　根据冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的切削加工特点，要求刀具材料红硬性高、耐冲击、耐磨性好、抗弯强度高、导热系数大。可选用含TaC或NbC的K类新牌号硬质合金，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，也可选用陶瓷和立方氮化硼刀具材料。
切削冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的刀具参数　　冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的硬度、强度都很高，切削时多是粗加工的断续切削，要求刃口有足够的强度，应选择负前角和较小的后角。且不同刀具材料应选择不同的合理前角、后角值。例如，YW1取γ0=-5。～0。，α0=5。～10。；643取γ0=-5。，α0=10。～15。；PCBN取γ0=-10。～0。，α0=6。～8。；陶瓷刀片取γ0=-15。～-5。，α0=6。～10。
; s. V9 q$ q# X) W! r% ~/ L　　切削冷硬铸铁和耐磨合金铸铁时，单位切削力大，切削温度高。为了减小单位切削刃上的负荷，改善散热条件，减少崩刃，提高刀具耐用度，宜选用较小的主偏角和负刃倾角。一般κr≤45。，硬质合金刀片λs≤-6。；陶瓷刀片λs=-10。～-5。。刀尖圆弧半径可大些，γε≥1.0mm。机床刚性较差或精加工时，也可适当加大主偏角，减小刀尖圆弧半径。对于陶瓷刀片和PCBN刀片，刃口应有负倒棱，γ01=-30。～-20~，bγ=0.2～0.3mm。
) B( q% e' G, y2 g. e  \" S  s3 P切削冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的切削用量　　根据冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的切削加工性能，在选择切削用量时，必须考虑切削用量对刀具耐用度的影响。根据不同的切削对象和刀具材料，切削速度、进给量和切削深度应进行合理组合。
　　采用硬质合金刀具时，应选用较低的切削速度，适当加大切削深度并尽可能减少走刀次数，以提高刀具耐用度。粗车时Vc=8～12m/min，αp=5～10mm，f=0.5～1.0mm/r；半精车时，Vc=15～20m/min，αp=0.5～2mm，f=0.1～0.3mm/r。
1 |8 O" u- D+ t0 g* r5 Q　　采用陶瓷刀片应取较小的进给量和尽可能高的切削速度，一般Vc=40～60m/min，αp=0.5～2mm，f=0.3～0.6mm/r。
　　采用PCBN刀片时，切削速度可以提高到70～80m/min，αp=0.5～2mm，f=0.1～0.3mm/r。
用氮化硅陶瓷刀片车削冷硬铸铁的特点　　氮化硅陶瓷具有高硬度(HRA94)、高强度(抗弯强度为1050～1450MPa)、良好的自润滑性能、低摩擦系数及抗粘接性能。使用氮化硅陶瓷刀具车削冷硬合金铸铁有以下优点：
4 U# G( G5 X6 f. z　　(1)切削速度高：冷硬合金铸铁的硬度为HRC50～52(HS67～70)，用YG8硬质合金刀具车削，切削速度为5m/min左右。而用氮化硅陶瓷刀具时切削速度则是25～35m/min，为硬质合金刀具的5～7倍。又如，用硬质合金刀具车削冷硬铸铁轧辊(HS71～73)，切削速度为6.8m/min，而用氮化硅陶瓷刀具时切削速度为23m/min。
　　(2)耐用度高：用YG8硬质合金车削冷硬合金铸铁(Vc=5.3m/min)，当后刀面磨损0.8mm时，切削路程为360m；而用氮化硅陶瓷刀具以28m/min的切削速度，后刀面磨损0.8mm时的切削路程为2560m；再将切削速度提高到34m/min时，在相同的后刀面磨损情况下，切削路程则是2340m。可见，在相同的磨损情况下，从切削路程来看，氮化硅陶瓷刀具的耐用度为硬质合金的6～7倍。用氮化硅混合陶瓷F85车冷硬合金铸铁轧辊的刀具耐用度是YG3、YG6硬质合金的5～16倍。
用立方氮化硼刀片切削冷硬铸铁的特点　　立方氮化硼(CBN)刀具，由于硬度、耐磨性和耐热性高于硬质合金和陶瓷等刀具材料，可以使用较高的切削速度切削硬度高(HS58～68)的冷硬铸铁，其切削效果明显高于使用其他刀具材料。
( A) \1 M  B9 f: x* f　　(1)切削速度高：用DLS—F立方氮化硼复合片切削球墨冷硬铸铁，可以使用较高的切削速度。刀具几何参数为γ0=-3。，α0=8。，κr=84。，λs=0。，γε=0.6mm，γ01=6。，bγ=0.3mm。当Vc=60m/min，αp=0.3mm，f=0.22mm/r时，切削160min后，后刀面只磨损了0.16mm。而使用YG6X硬质合金刀具的切削速度只有6.6m/min，仅为立方氮化硼刀具的1/9。
: A2 P% c6 V  z1 w　　(2)耐用度高：用立方氮化硼圆刀片，以Vc=40m/min、f=0.16mm/r的切削用量加工HRC55的冷硬铸铁，刀具耐用度为500min，而用陶瓷刀具加工时刀具耐用度只有5min。立方氮化硼刀具的耐用度是陶瓷刀具的100倍。
% N7 @/ S( [  y　　(3)加工精度和表面质量好：用硬质合金刀具车削HRC50的表面喷涂冷硬铸铁轧辊，当Vc=20m/min、αp=0.3mm、f=0.22mm/r时，圆度误差高达0.5mm，表面粗糙度Ra为12.5μm；而使用立方氮化硼刀具车削，切削速度提高了，圆度误差很小，表面粗糙度Ra小于0.8μm。
　　(4)金属切除率高：用立方氮化硼刀具切削冷硬铸铁轧辊，可以获得极高的金属切除率。例如，当Vc=6lm/min、αp=/mm、f=0.94mm/r时，金属切除率达400cm3/min，刀具几乎没有磨损。
# T1 F( @! b* I( y7 t  g# o　　(5)可以代替磨削：ASH离心式泥浆泵是用极耐磨的镍铬白口铁制造的。这种材料极难切削，以前认为只能用磨削加工，但磨削时的高温会使工件产生热裂纹。现在可以采用立方氮化硼复合片以车代磨。这种刀具抗弯强度高，经得起冲击载荷。采用PCBN圆形刀片，粗车时，Vc=55m/min，αp=3mm，f=0.25mm/r；精车时，f=0.2mm，表面粗糙度Ra为0.8μm。
　　此外，还可以铣代磨加工镍铬白口铁，也采用圆形带倒棱的PCBN复合片做成铣刀，以Vc=175～225m/min、αf=0.1～0.25mm/z、αp=0.5～2.5mm的用量进行铣削，表面粗糙度Ra可达2～2.5μm。[1]
切削冷硬铸铁和耐磨合金铸铁实例　　(1)车削轧辊：工件材质为冷硬铸铁，刀具材料为YG6X硬质合金，刀具几何参数见图6-1。切削用量为Vc=5～7m/min，αp=3～6mm，f=1.5～2.5mm/r。
, F& Q# I0 W' y" S: o7 T  j# x　　(2)精车冷硬铸铁轧辊：采用聚晶立方氮化硼复合片作为刀具材料的车刀，如图6-2所示。这种刀片硬度高，耐磨性和耐热性大大高于硬质合金，适于精车高硬度冷硬铸铁轧辊。车削时切削用量为：Vc=50～70m/min，αp=0.5～1mm，f=0.2～0.4mm/r。工件表面粗糙度Ra为3.2～1.6μm。加工效率为硬质合金刀具的10倍以上。
　　(3)铣削白口铁：刀具材料为Si3N4陶瓷圆形刀片，机械夹固在铣刀盘上。刀具的切深和进给前角为-10°。切削用量为：Vc=70～90m/min，αp=1～2mm，Vf=160～230mm/min。加工后表面粗糙度Ra为6.3～3.2μm。
) v% F* M) ^+ P$ H" n/ I6 d　　(4)车削高铬铸铁：被切削材料的硬度为HRC46～50，采用YD15超细颗粒硬质合金刀具进行车削。在切削用量为Vc=30～40m/min、αp=3～4mm、f=0.8～1.5mm/r的条件下，刀具耐用度比采用YG6刀片高近10倍。
& ~- ^6 O6 Z$ R1 T/ L; y/ j9 n　　(5)车削轧辊：工件材质为冷硬铸铁，硬度为HS70～72。刀具材料为Si3N4陶瓷，刀具几何参数为：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：粗车时Vc=55m/min，αp=3.75mm，f=2.6mm/r；精车时Vc=34m/min；αp=0.2mm，f=1.2mm/r。

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: F7 O# s9 p. }4 c0 C7 T补充内容 (2011-12-2 12:04):
7 F* c! I" c4 D! c  j! B( X冷硬铸铁夹渣、断续车削等加工难题参照 HLCBN网站

南方祥云

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杨帅

南方祥云 发表于 2012-6-9 09:48
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