蠕墨鑄鐵的高速加工

    蠕墨鑄鐵(CGI)的高速加工是與刀具、機(jī)床和加工工藝的結(jié)合相互依賴的。隨著獲得更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)，更進(jìn)一步證實(shí)這種相互依賴的關(guān)系是非常重要的。CGI高速加工原理和回轉(zhuǎn)刀片獨(dú)特的切削機(jī)理說明了該系統(tǒng)的高速與刀具壽命優(yōu)點(diǎn)。機(jī)床、刀具與零件的優(yōu)化都是影響高效加工性能的關(guān)鍵因素。
一、金相組織的影響
    相同的金相組織形態(tài)使CGI具有更高的抗拉強(qiáng)度而且更難于剪切。為更好了解CGI難于加工的原因，首先需了解灰鑄鐵為什么具有易加工性，球墨鑄鐵較難加工，而蠕墨鑄鐵最難加工。
1. 灰鑄鐵切屑的形成
    在灰鑄鐵中，石墨呈絮片狀(圖1)。石墨片是由于含碳量過飽合、高溫和存在硅而形成的。片狀石墨是一種有助于切削加工的軟性雜質(zhì)。

圖1 灰鑄鐵中典型的絮狀石墨
(照片由SinterCast公司的S.Dawson博士提供)

     因石墨形狀和石墨腔體尖銳邊緣造成的斷層線賦予灰鑄鐵脆性和低抗拉強(qiáng)度的特性。刀具剪切力沿此斷裂線前進(jìn)，所產(chǎn)生的機(jī)械剪切力較小。
如同后刀面不總是與已加工面保持接觸一樣，刀刃也不是始終與切屑保持接觸。位于剪切點(diǎn)的材料在新的剪切力作用下，沿此斷裂線碎裂，至于是在水平面還是在其水平面下則取決于最小抗力。暴露的石墨腔會失去其中的石墨，成為切屑流與刀具前面和后刀面與新創(chuàng)成表面之間的潤滑劑。類似灰鑄鐵這樣的脆性材料，其加工的邊緣易于損壞，即所謂崩落(圖2)。

圖2 灰鑄鐵的斷裂切屑
(照片由Darmstadt大學(xué)的U.Reuter PTW提供)

    隨著刀刃的切入，導(dǎo)致壓力增大的磨損帶會使鑄件邊緣撕裂的可能性增大。由于石墨腔體尺寸和斷層線的排列，邊緣的顯微結(jié)構(gòu)的弱化可以降低使加工邊緣斷裂或崩落所需的刀具壓力負(fù)荷。
    用手拂過灰鑄鐵的已加工表面，會掃掉灰鑄鐵表面暴露的腔體中灰色的石墨粉末。由于已加工表面呈灰色并可以沾染接觸物這一特點(diǎn)，就是灰鑄鐵名稱的由來。
2. 球墨鑄鐵的切屑形成
    球墨鑄鐵中石墨物理結(jié)構(gòu)的形態(tài)，與灰鑄鐵相比正好相反。
    正如其名，球鐵中的石墨在鐵的凝固過程中，由于受到合金化添加劑(主要是鎂)的作用，結(jié)成圓結(jié)或球狀(圖3)。

圖3 球墨鑄鐵中的球狀石墨

     在球墨鑄鐵中，不存在灰鑄鐵中那種會造成應(yīng)力增大和斷裂線。石墨腔之間的基材也不會出現(xiàn)灰鑄鐵那樣的斷裂。如圖4所示，球狀石墨在刀具載荷壓力的作用下會在變成切屑分離之前發(fā)生變形。

圖4 球墨鑄鐵的連續(xù)切屑

    這種微觀結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生灰鑄鐵所不具備的延展性。因此，刀刃必須產(chǎn)生連續(xù)的作用力，達(dá)到基材的抗剪強(qiáng)度，才能生成切屑。工件材料形成鋼切屑一樣的連續(xù)切屑在刀刃上流過。
    由于材料的機(jī)械剪切強(qiáng)度較高和連續(xù)磨擦(不似灰鑄鐵的斷裂/剪切過程)，故剪切區(qū)的生熱量高于灰鑄鐵。由于球鐵的散熱性較差，又增大了磨擦。球鐵的導(dǎo)熱率僅為灰鑄鐵的58%。球鐵導(dǎo)熱性并不是其不能用于制造缸體缸蓋一項(xiàng)最重要的原因。在切削方面，這還會降低切屬的散熱能力，不能將切削區(qū)產(chǎn)生的熱量很快散去。
    其延展仕不可能造成灰鑄鐵加工那樣的斷裂，但總會產(chǎn)生毛刺。由于刀刃會因磨擦而變鈍，隨著刀具后刀面的磨損，壓縮載荷的增大，毛刺尺寸隨之增大。
3. 蠕墨鑄鐵(CGI)的切屑形成
    蠕墨鑄鐵(CGI)中的石墨呈珊瑚或蠕蟲狀(圖5)，是因?yàn)槭褂昧司�確量的鎂，使片狀石墨邊緣緊縮成圓形，但其緊實(shí)程度與球墨鑄鐵不同。

圖5 CGI的蠕蟲形石墨

    這種金相結(jié)構(gòu)不會如灰鑄鐵一樣，會在加工中使應(yīng)力增大和產(chǎn)生斷裂線，而且不會像球墨鑄鐵那樣，造成導(dǎo)熱率的損失。這種特性使CGI成為一種制造發(fā)動機(jī)高強(qiáng)度部件的材料。其加工特性介于球鐵延展性與灰鑄鐵脆性之間，切屑為部分?jǐn)嗔?圖6)。

圖2 CGI的半連續(xù)形切屑

    Lamb公司及其它工業(yè)研究機(jī)構(gòu)所做的試驗(yàn)表明，與灰鑄鐵相比，加工CGI所需機(jī)床功率要增大10%～30%。這種功率增大量與對比時所用鑄鐵有關(guān)，例如，加工非合金化鐵素體灰鑄鐵所用功率要比加工高合金珠光體灰鑄鐵時的低。
    與灰鑄鐵一樣，CGI的剪切是經(jīng)抗剪力最小的石墨腔體發(fā)生的，但不同于灰鑄鐵切削中于石墨腔鋒銳角落產(chǎn)生裂紋，圓形邊緣的切削需要更大的切削力。軟質(zhì)石墨之間的基材的剪切極似球墨鑄鐵的切屑形成過程。CGI的導(dǎo)熱率為灰鑄鐵的78％，這會加大刀具的熱磨損效應(yīng)，但不會達(dá)到切削球墨鑄鐵時的程度。CGI的延展性好，抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度約為灰鑄鐵的兩倍，這會使其更易產(chǎn)生毛刺。
1) 熱化學(xué)反應(yīng)
    在以100m/min的低速進(jìn)行銑削和以80m/min的速度進(jìn)行鉆削加工時，加工CGI的刀具磨損接近于加工灰鑄鐵。最嚴(yán)重的刀具壽命問題發(fā)生在連續(xù)用氮化硅和PCBN的高速加工CGI時。
PTW Darmstadt的研究揭示，高速加工時，灰鑄鐵中的錳和硫會形成硫化錳(MnS)保護(hù)層，在刀具表面形成潤滑層(參見圖7a)。

a)顯示出MnS層 b)無保護(hù)層的刀刃失效
圖7

    MnS已廣泛應(yīng)用于改善材料的可加工性上，包括應(yīng)用MnS生產(chǎn)易切削鋼材。基于以前的加工經(jīng)驗(yàn)，將MNS摻入粉末冶金連桿中，可加工性能提高10倍。CGI的化學(xué)元素包括在固化時用于使石墨定型的鎂。然而，鎂與硫具有很好的親合性，二者混合時會迅速燃盡。為此，CGI和球墨鑄鐵都使用脫硫鐵來穩(wěn)定這種反應(yīng)。這種鐵中硫的含量只有灰鑄鐵的1/10，不足以生成MnS保護(hù)層。沒有MnS層的潤滑作用，機(jī)械摩擦生成的熱，會迅速使刀刃失效(參見圖7b)。
2) 低速間歇加工參數(shù)
    這種金相的合金需要阻止MnS雜質(zhì)用于輔助加工，這正是業(yè)界沒有預(yù)見到高速加工CGI材料的根本原因。業(yè)界接受的鏜削方案是以低表面速度(100～150m/min)和大進(jìn)給量切削，以期彌補(bǔ)生產(chǎn)率的損失(與灰鑄鐵加工相比)。
3) 低速的影響
    通常，在低轉(zhuǎn)速加工時，刀具需要大的功率、剛性主軸和剛性裝夾。當(dāng)前，普通發(fā)動機(jī)缸體加工機(jī)床和刀具尚未達(dá)到某些CGI加工所要求的大進(jìn)給推力的水平。
    現(xiàn)在要求CGI零件設(shè)計必須能夠承受這類新的加工載荷。因此，在大多數(shù)情況下，零部件加工載荷的有限元分析已與部件功能的有限元分析同樣重要。在當(dāng)前的深裙式發(fā)動機(jī)缸體加工程序中，Lamb公司已在缸孔粗鏜時達(dá)到缸體本身的支承極限。
    這種低主軸轉(zhuǎn)速和大進(jìn)給率的加工策略并不適合這種結(jié)構(gòu)的缸體加工和CGI導(dǎo)致的負(fù)荷增大。
    應(yīng)用提高速度和減小進(jìn)給率的能力可能會回到接近灰鑄鐵零件加工負(fù)荷。當(dāng)前的普通切削刀具不能有效地用于這類溫升較高的加工。因此，需要一種它所能承受的切削工藝。
二、CGI高速加工
    結(jié)合高剛度機(jī)床和獨(dú)特的刀具軌跡處理進(jìn)行的刀具技術(shù)二次開發(fā)，使CGI的高速加工成為可能。(通常高速加工一詞是指具有“穩(wěn)定波形”的加工速度，本文中僅用于強(qiáng)凋此項(xiàng)技術(shù)在“一個數(shù)量級”上速度的優(yōu)勢。)
1. 高速鏜削
    對回轉(zhuǎn)式鏜刀進(jìn)行了改裝，使之適合現(xiàn)有幾何形狀并進(jìn)行了多層次開發(fā)，經(jīng)過驗(yàn)證并取得了專利，消除了早期的不合理之處。由U.Reuter博士在PTW進(jìn)行的一次特殊試驗(yàn)，使這種回轉(zhuǎn)刀具達(dá)到800m/min的速度，是唯一具有很長壽命的刀具。現(xiàn)在Lamb公司的一項(xiàng)研究課題主要是進(jìn)一步改進(jìn)和擴(kuò)大這項(xiàng)技術(shù)。

圖8 以800m/min的高速銑削CGI零件

2. 高速銑削加工
    Lamb公司研發(fā)機(jī)構(gòu)所進(jìn)行的銑削實(shí)驗(yàn)獲得了成功(參見圖8)試驗(yàn)是使用燒結(jié)的(SinterCast)CGI試件，在Lamb公司的Jaguar 630立式加工中心上進(jìn)行的。試驗(yàn)的目的是評價回轉(zhuǎn)粗銑刀具的磨損。其試驗(yàn)所用切削參數(shù)為：銑刀直徑150mm，轉(zhuǎn)速800m/min，切削深度5.0mm，每刀齒進(jìn)給量為0.2mm。由于試驗(yàn)材料來源限制，只在9min時間內(nèi)切出了100kg的切屑(圖9)。在整個切削時間內(nèi)，放大150倍觀察，未發(fā)現(xiàn)刀刃有明顯磨損。試驗(yàn)誤差通常已予排除，但下述試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)還值得一提。

圖9 加工功率和時間關(guān)系

    在使用氮化硅刀片時，切削3.5min.后出現(xiàn)了切深誤差。機(jī)床技術(shù)人員錯失了關(guān)鍵的用15mm的切深代替5mm切深的試驗(yàn)參數(shù)。這些信息對于進(jìn)一步確定試驗(yàn)條件是很有用的。主軸功率記錄：在每個刀齒進(jìn)入切削時為28kW。零件表面光潔度沒受任何影響，刀具和機(jī)床也未發(fā)現(xiàn)明顯的可見振動。刀具和機(jī)床具有足夠的剛度來有效地傳遞這種巨大載荷，未出現(xiàn)機(jī)械故障。
三、傳統(tǒng)刀具與回轉(zhuǎn)刀具切削時切屑形狀對比
    為更好理解回轉(zhuǎn)刀具為什么能以800m/min的速度加工井具有較長的刀具壽命，需要觀察切屑的形成過程。
     圖10(左右)中再次觀察了前邊提到的金相組織的切屑形狀，并對傳統(tǒng)刀具和回轉(zhuǎn)刀具的切屑形成過程做了對比。對于傳統(tǒng)刀具(圖10a)通過刀片施加切削力，直至達(dá)到材料的抗剪強(qiáng)度。前刀面的切屑流阻力和后刀面的磨損摩擦力相加，構(gòu)成刀具所需的總功率。在簡化的正交模型中，出現(xiàn)三個方面的熱源，最為明顯的是剪切和前刀面發(fā)熱區(qū)。鋒利刀具沒有后刀面磨損，因而開始時發(fā)熱量很低。如果任其刀刃全面磨損發(fā)展下去，則會成為最嚴(yán)重的發(fā)熱區(qū)。三個發(fā)熱區(qū)均產(chǎn)生并集中于切削刃部。熱很快成為刀具失效的主要原因并已成為所有刀具材料發(fā)展的主要因素。

a)傳統(tǒng)刀具切削時切屑形成過程 b)回轉(zhuǎn)刀具切削時切屑形成過程
圖10

    回轉(zhuǎn)系統(tǒng)具有在回轉(zhuǎn)運(yùn)動中強(qiáng)化剪切力和切屑流的優(yōu)點(diǎn)。闡述這方面刀具長處原因的論文很多。其主要原因是，磨損沿圓形刀片75mm的周長平均分布，這就是優(yōu)于固定刀片的主要優(yōu)點(diǎn)。另一主要原因是其受到熱效應(yīng)的切削點(diǎn)快速轉(zhuǎn)過發(fā)熱區(qū)，新的切削點(diǎn)轉(zhuǎn)到發(fā)熱區(qū)。
    由于刀具切削性能差異很大，利用此概念也許可以在轉(zhuǎn)速為800、1000和1200m/min時做進(jìn)一步的證明。但無論何種普通刀具均立即損壞。在闡述回轉(zhuǎn)切削過程時，就可做出明確解釋(圖10b)。切屑以預(yù)定速度沿刀片表面流動，切屑剪切速度約為實(shí)測刀具回轉(zhuǎn)圓周速度的十分之一。該切削流動力伴有很小的一個剪切力分量共同作用，在其回轉(zhuǎn)軸線上推動刀片轉(zhuǎn)動。如圖10a所示，刀具前刀面和切屑底面之間的摩擦運(yùn)動不是很大。常規(guī)刀具切削中作為主要發(fā)熱源的前刀面摩擦發(fā)熱，在回轉(zhuǎn)型刀片刀具的切削中減小到不太明顯。
    現(xiàn)在，我們考慮了三種可能的綜合答案：磨損分布在整個周邊上，連續(xù)轉(zhuǎn)過發(fā)熱區(qū)消除了前刀面的摩擦發(fā)熱區(qū)，因而，我們可以理解在CGI切削中達(dá)到的改善程度。這種獨(dú)特的回轉(zhuǎn)切削工藝是唯一能解決CGI高速加工的方法。
    與低速碳素材料應(yīng)用相比，現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明，加工灰鑄鐵時，刀具壽命可提高10至20倍。例如，北美一家汽車制造廠，在運(yùn)行了85000次循環(huán)后，后刀面的磨損僅為0.127mm，而傳統(tǒng)刀具只用了5000次加工循環(huán)，后刀面就已嚴(yán)重磨損。
四、機(jī)床應(yīng)用
    一旦正確設(shè)計了適合工件材料和作業(yè)要求的刀具，下一環(huán)節(jié)就是機(jī)床。Lamb公司所做的高速CGI加工試驗(yàn)是在靜動剛度具佳的四導(dǎo)軌滑枕機(jī)床上進(jìn)行的。理論上，失效是由于回轉(zhuǎn)運(yùn)動暫停造成的，這會造成某種機(jī)械偏差。高速運(yùn)行中，每次故障都會在已加工表面上留下刀具偏差的痕跡。這個痕跡說明，要成功地運(yùn)行，需要很高的剛度。這種痕跡出現(xiàn)在上述切深為15mm發(fā)生誤差時，經(jīng)分析，是機(jī)床剛度不夠。
1. 關(guān)于工裝
    CGI零件比灰鑄鐵更易發(fā)生毛刺，工裝設(shè)計必須確定相關(guān)因素，使較高成本的加工，實(shí)現(xiàn)合理的磨損。夾具定位裝置的合理設(shè)計，盡可能限制毛刺的產(chǎn)生。材料運(yùn)送要安全，要保證刀具整個磨損帶能完成粗加工過程，而不是在剛達(dá)到刀具預(yù)期壽命的10%就使其報廢。最短刀具壽命成本分析表明，去毛刺工序成本更高，所以要在剛一出現(xiàn)毛刺時就應(yīng)該換刀。
當(dāng)前的高速銑削和鏜削方案中，使用的是13.5mm大半徑，這可提供更好的有利切削的刀具角度，有助于最大限度減小毛刺。大半徑形狀可使材料邊緣結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度，抗住切削終了時的偏差。切削終端的工件材料仍留在原位，以待進(jìn)一步加工，因此能最大限度減小毛刺尺寸。
2. 關(guān)于噪聲
    CGI加工時降低ZdB的噪聲，部分是由于材料強(qiáng)度并在較低的程度上，降低了阻尼特性。這些數(shù)據(jù)是從嚴(yán)密控制的生產(chǎn)機(jī)床、試驗(yàn)得到的，并用外部數(shù)據(jù)得到證實(shí)。傳統(tǒng)上，銑刀配用剛性機(jī)床的加工，在順銑時一般可得到延長刀具壽命的結(jié)果。由于“順銑”方法可在切入時使刀片切到最大厚度的切屑，并以比進(jìn)給快的速度轉(zhuǎn)過被加工材料，從而消除了后刀面摩擦。銑刀刀片在切人時承受最大沖擊，而導(dǎo)致沖擊振動最大(圖11)。這種振動會通過機(jī)床，最重要的是通過工件傳導(dǎo)。對所有材料來說，減小振動就會減小銑削過程的振幅和聲響，對CGI材料更是如此。

圖11 與順銑相比在逆銑中沖擊負(fù)荷僅為15%

    由于這種高速銑削方案的獨(dú)特的回轉(zhuǎn)切削過程，受“逆銑”型磨損的影響較小，而具有固有優(yōu)勢�，F(xiàn)在，我們可以能降低銑削沖擊負(fù)荷的較小的切入角度切入工件。這種加工過程具有能吸收掉CGI材料的2dB聲音損失的絕大部分。
    軟切入還具有因降低了沖擊負(fù)荷從而延長了主軸軸承壽命、和提高了薄壁件表面質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)。
3. 高速加工的經(jīng)濟(jì)性
    典型的CGI材料缸體零件中批量粗銑加工系統(tǒng)，它能最佳地展示“單件”加工成本的差別。最終粗加工包括：所有需加工的表面和缸孔的粗加工�；�礎(chǔ)設(shè)備成本按使用加工速度為100至150m/min的傳統(tǒng)工裝的加工參數(shù)計算。建議還采用800m/min的速度進(jìn)行銑削和用400m/min的速度鏜削缸孔。(以下所有費(fèi)用均按美元計算)：
低速加工基本費(fèi)用=$10，000
高速等效加工費(fèi)用=$7,000
3年單件成本節(jié)省=$6.67/件
5年單件成本節(jié)省=$4.00/件
7年單件成本節(jié)省=$2.85/件
    現(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)表明，回轉(zhuǎn)刀具系統(tǒng)具有單件成本優(yōu)勢，而CGI材料工件的生產(chǎn)數(shù)據(jù)還有待進(jìn)一步證明。但是，我們已經(jīng)有了灰鑄鐵的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明，刀具壽命可以提高17倍，也就是說可以減少17次換刀。若考慮到減少17次換刀的時間和采用較低檔的自動換刀系統(tǒng)的話，對于自動線生產(chǎn)來說，這所涉及的生產(chǎn)成本將是很大一筆開銷。
五、結(jié)論
    若在具有正確參數(shù)的高剛度機(jī)床上使用回轉(zhuǎn)刀具系統(tǒng)并輔之以有創(chuàng)造性的刀具軌跡程序，對CGI材料進(jìn)行高速加工是可能的�，F(xiàn)在有很多問題都是Lamb公司研究與開發(fā)項(xiàng)目中課題，同時，Lamb公司有能力解決任何生產(chǎn)問題，以最快的速度和低風(fēng)險地將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)車間