蠕墨铸铁的高速加工

蠕墨铸铁的高速加工

作者：兰姆技术公司George Georgiou

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。