低铅铋黄铜HBi59-1.5的切削行为

低铅铋黄铜HBi59-1.5的切削行为

摘要：Hbi59-1.5是宁波博威2003年后开发的一款无铅环保铜原材料。所制成的产品可以满足美国加利福利亚洲控制日常饮用水铅含量之AB1953法案的要求。铋几乎不溶于铜，而在晶界（或相界）上析出形成弥散的质点达到易切削的目的，由于铋的熔点很低，当切削温度达到271.3oC时铋会变成液态而影响产品表面质量和降低加工效率，这一点在铅黄铜中是从来没有过的，许多使用商在处理这一实际问题时，往往会走很多弯路或另选替用材料。该文认为只要控制三个因素就可以解决产品表面波纹和生产效率低下的问题：第一，通过扩散回火使半成品中Bi的分布更分散、更细化（未经高温锻造或焊接等工艺时不必增加此工序）；第二，车刀前角从零度加大到3o，加大排屑槽等；第三，加大冷却液流量。

关键词：无铅环保铜?铋的溶点?扩散回火?前角?冷却液

卫浴厨房龙头本体为了达到GB5749-2006生活饮用水卫生标准和耐腐蚀抗脱锌性能要求，会选择Hbi59-1.5中铋低铅黄铜作为套筒材料与弯管银焊再经机加工，最终成为本体。附焊接后，车内孔后本体图，如图1所示。

1 问题的提出

在双轴机上把内孔φ40.4立车至φ41.15+0.200，加工不到10件，就发现内孔A表面粗糙度用1.6对比块比较有波纹痕迹，判定为不合格，而用粗糙度测量仪检测却属合格，为了不至于引起客户的歧意，不得不频繁修磨刀，结果严重影响了产能（每人每天每台机不足100件）。

2 现场加工条件分析

银焊条采用TS-45Z，Ag：45% Cu：30%. 熔化温度为660～

740?℃。

刀具采用YG6，前角零度，后角3?°，4个头，切削速度1300 r/min （即168.4?m/min），背吃刀t=0.40?mm，进给量S=0.10?mm/转，冷却泵额定流量6?L/min（实际测量1.2?L/min）.车完内孔后的工件在检测时发现烫手，预计温度约45?℃，临时使用花生油浸涂在车刀头部，车完工件后发现青烟四起，花生油燃烟点240～257?℃燃点为309～320?℃。

3 切削力、切削热分析

根据《机械加工工艺人员手册》（书号：15119.657.P736页）在刀具材料YG6，主偏角ψ=90?°；工件材料为灰铸铁：HB190/HT200/σ=200?mP的条件下：Cpz=82 Cpy=27Cpx=54，Pz=Cpz*t*S0.75Pz主切削力：作用在切削速度方向的分力.是切向力.

Py=Cpy*t0.9*S0.75 Py吃刀力：作用在吃刀方向上的分力.是径向力.

Px=Cpx*t*S0.4Px走刀力：作用在走刀方向的分力.本例为轴向力.

代入各参数值得：Pz=5.83（kgf）=57.15（N）

Py=2.10（kgf）=20.62（N）.

Px=8.599（kgf）=84.27（N）

当工件材料为Hbi59-1.5时，在焊后σ=380?mpa的条件下，相对灰铸铁切削力对比系数K=380/200=1.9，实际切削合力为R=1.9×103.9=197.4（N）

根据切削热与切削温度理论，单位时间（即1?s）内的切削热：Q=RV=197.4×2.8?m/s=552.7（J/s）=132（J/s）

（1卡=4.1868 J）

加工整个工件需要时间为20.7（s），在20.7?s时间内车下的铜屑有19.8?g，加工完整个工件产生的总热量为：Q=20.7（s）×32（J/s）=2732.4（J）

通常情况下车削时，切屑传热50%～86%，工件传热3%～9%，刀具传热10%～40%.按50%切削热由屑传导，则19.8?g屑传导热量Q=2732.4×50%=1366.2?J.

设在1.2?L/min，冷却液作用下，可带走切屑中的3/5热量，则余下（2/5）×1366.2=546.5卡将使19.8?g铜屑温度平均升至T?℃，（当时环境温度为20?℃，黄铜比热η=0.094?J/g.℃）

则有：

546.5=19.8（T-20）×0.094 T=313.6?℃

这一温度区域足可使屑中铋（熔点为271.3?℃）变成液态。按9%切削热由工件传导则：

Q工件=2732.4×9%=245.9?J，工件传热部分（套筒）重107?g（忽略了弯管的传热）设工件将升高温度到t?℃则：245.9=107（t-20）×0.094，t=44.4?℃

这一温度与加工完后的工件烫手的事实相吻合.这也反映了1.2?L/min的皂化冷却液，从刀具导入，只带走了约3/5切屑和部分刀具的传热，已没有能力再带走工件的传热。

4 问题的界定与措施

工件加工后内孔A表面粗糙度1.6对比块比较，所发现的波纹状痕迹属于切屑中Bi元素液态化过程中通过刀具粘附在内孔表面所致，铋对刀具的粘连进一步增加了切削力，从而产生更多的切削热，使切削环境快速恶化，导致每做10余件便需磨刀。基于这一判断重新审核这一道工艺条件和参数，具体措施有以下几点。

(1）对焊接后的工件进行扩散回火，回火温度280?℃±10?℃保温2?h，随炉冷却至室温。以下附回火前，后工件金相图：

比较图1与图2轻易可见回火后工件中Bi的分布更分散，更·细化。

（2）车刀前角从0?°改变到3?°减少切削热的产生，其它切削参数不变。

（3）清理冷却泵回路，将额定流量为22?L/min取代原来6?L/min 的冷却泵。

5 结语

在新的工艺条件，试做300件，内孔表面比先前产品更光亮，没有出现比粗糙度1.6对照块更严重的波纹痕迹，每班每人可稳定生产960件。当然，在实际操作中还需排除夹紧机构松动问题，也要保证车刀径向跳动控制在0.02?mm的精度之内。