两种不同合金组元的灰铸铁切削加工性能

2014-06-07金育蓉任小中

河南科技大学学报(自然科学版) 2014年1期

关键词：灰铸铁切削力基体

金育蓉，任小中，李彬

（1.河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003；2.洛阳理工学院机械工程系，河南洛阳 471023）

两种不同合金组元的灰铸铁切削加工性能

金育蓉1，任小中1，李彬2

（1.河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003；2.洛阳理工学院机械工程系，河南洛阳 471023）

在相同的加工条件下，分别对Cu-Cr合金和多元合金灰铸铁试样进行了切削。利用检测和金相观察等方法获取了切削力、刀具磨损和基体组织方面的信息，并对这些信息进行了分析对比。分析结果表明：加工Cu-Cr合金灰铸铁所产生的切削力以及刀具磨损程度比多元合金灰铸铁的大，并且Cu-Cr合金灰铸铁的基体组织分布没有多元合金灰铸铁的均匀。所以，多元合金灰铸铁的切削加工性能优于Cu-Cr合金灰铸铁。

灰铸铁；Cu-Cr合金；多元合金；切削加工性能

0 引言

灰铸铁具有优良的铸造性能、耐磨性和消振性能、较低的缺口敏感性和良好的切削加工等性能，因此被广泛用于冶金、汽车、机械制造等领域［1］。据统计，2009年中国铸铁件产量达2 630万t（占中国铸件产量的74.5%），其中灰铸铁产量约1 700万t，球墨铸铁产量约870万t，蠕墨铸铁产量约30万t，可见灰铸铁在铸造生产中占的比重很大［2］。灰铸铁主要的缺点是强度相对较低，主要是石墨对基体的割裂作用造成的［3］。为了提高灰铸铁的强度，常常在灰铸铁中添加一些合金元素［4－5］，如Cu、Cr、Mo、Ni等。但是灰铸铁强度的提高，往往又会降低其切削加工性能［6］。目前，在很多中外合资的汽车加工厂中，如果国内外采用同牌号铸件加工灰铸件缸体，进口铸件加工时的刀具磨损要比国产铸件小得多，这对生产效率产生了极大的影响［7］。轿车生产线上的数控机床、加工中心普遍采用高速切削和高级刀具，刀具的磨损和使用寿命对材料切削性能的好坏十分敏感［8］。因此，灰铸铁的切削加工性能就成为机械加工行业共同关心的技术问题。

文献［9］指出灰铸铁的基体组织对其加工性能起着决定性的作用，均匀一致的显微组织是获得良好加工性能的关键。文献［10］研究了灰铸铁中C、Cu、Cr、Sn含量变化对切削刀具（硬质合金）磨损的影响。然而，专门研究Cu-Cr合金和多元合金灰铸铁切削加工性能的报道比较少。评定材料切削加工性能的指标主要有刀具寿命、切削力、切削温度、切削功率和已加工表面质量指标。本文是通过加工材料时产生的切削力大小和刀具磨损程度来衡量Cu-Cr合金和多元合金灰铸铁的切削加工性能，这对以后研究合金灰铸铁切削加工性能提供了参考依据。

1 试验

1.1 试验条件

试验选用CA6140普通车床，其主轴最高转速为1 400 r／m in，主电动机功率为7.5 kW。选用机夹不重磨车刀，刀片为AC410K复合涂层硬质合金刀片（刀片型号：CNMG120408N-UX）。工件材料为Cu-Cr合金灰铸铁和多元合金灰铸铁，直径为φ56 mm×300 mm的圆柱体试样。两试样采用同一均质材料，强度达到HT300的标准，其化学成分见表1。采用QB-07型双平行八角环测力仪，并配合使用DH5923动态信号测试分析仪，进行切削力信号的采集和转换。利用OLYMPUS PMG3金相显微镜配合SISCAS.V8.0金相图像分析软件对试样组织进行观察。

表1 两试样材料的化学成分（质量分数，%）

1.2 试验方法

图1 切削力测量系统示意图

试验采用电阻应变片式测力仪。将八角环测力仪固定在车床刀架上，刀具装在测力仪上，将各数据线与电脑连接。在车削过程中，八角环测力仪采集到的电信号经电阻应变仪处理输出，再由数据采集卡记录并存到电脑中，然后利用相关软件对数据进行分析。图1所示为切削力测量系统示意图。

2 试验结果与分析

2.1 两试样的加工性能检测

切削试样前，首先对测试系统进行标定，具体的标定方案参考一种车削测力仪的标定装置和标定方法［11］。对所标定的数据用最小二乘法进行回归分析，得到主切削力FZ与应变有效值ε的对应关系式为：

在切削的过程中，切削力引起应变片变形，则应变片的电阻值发生改变，而应变片的电阻变化率与应变值呈线性关系，其对应的线性关系式为：

式中，K由一批产品中抽样检验决定，作为该批产品的灵敏因数。再通过应变仪的惠斯登电路能将应变值显示出来，将其代入式（1），计算出切削力值。

对两试样进行两组试验。设备的采样频率均为50 Hz。每次切削为5个周期，一个周期20.5 s。两组试验的车削进给量均为f＝0.451 mm／r，切削深度均为ap＝1.75 mm，切削速度分别为v1＝31.65 m／min，v2＝49.24 m／min。两组试验的测量应变数据见表2。

表2 应变数据

当v1＝31.65 m／m in时，将表2中对应的应变有效值ε代入式（1），可以得出切削Cu-Cr合金灰铸铁时的切削力FZ为978.76 N，切削多元合金灰铸铁时的切削力FZ为944.32 N。同理，当v2＝49.24 m／m in时，将表2中对应的应变有效值ε代入式（1），可以得出切削Cu-Cr合金灰铸铁时的切削力FZ为1 004.22 N，切削多元合金灰铸铁的切削力FZ为965.29 N。

从以上两组试验数据可以看出：含Cu-Cr合金灰铸铁的切削力比多元合金灰铸铁的切削力分别大3.5%和3.8%。可见，Cu-Cr合金灰铸铁的切削加工性比多元合金灰铸铁的差。

2.2 两试样的刀具磨损分析

图2和图3分别是同一批次的AC410K复合涂层硬质合金刀片在切削速度分别为v1＝31.65 m／min，v2＝49.24 m／min的条件下，对Cu-Cr合金灰铸铁和多元合金灰铸铁两试样切削5个周期、切削距离分别为135.30 mm和210.45 mm后的刀具前刀面磨损情况。从图2和图3所扫描的照片标记中可以看出：图2a和图3a所示刀具刀尖部分的涂层剥落程度明显比图2b和图3b的严重。这是因为刀具在切削时，由于受到工件、切屑的摩擦作用，刀具材料逐渐被磨耗或出现破损［12］。本试验的切削距离较短，刀具处于初期磨损阶段，两试样的表面上都含有碳化物等硬质点。这些硬质点在切削时如同“磨料”，对刀具表面产生摩擦和刻划作用，从而导致涂层剥落。由此可以断定多元合金灰铸铁的切削性能优于Cu-Cr合金灰铸铁。

图2 切削速度v1＝31.65 m／m in时的刀具磨损情况

图3 切削速度v2＝49.24 m／m in时的刀具磨损情况

2.3 两试样的金相组织分析

图4和图5分别是两试样的石墨形态和基体组织显微照片。铸铁中的碳主要是以石墨的形式存在的，铸铁的力学性能主要取决于基体组织及石墨的数量、形状、大小和分布。分布于基体上的石墨由于其延伸率接近于零，故可视其为空洞或裂纹［13］。从两试样的石墨形态（图4a和图4b）的对比可以看出：两试样都分布着片状的A型石墨，但它们的石墨形态有着明显的差异。图4a中的石墨细长，还夹杂着C型石墨，C型石墨不利于刀具的润滑和断屑［14］，于是就使切削力增大。图4b中的石墨细小且分布均匀，材料的塑性变形相对较小，改善了切削加工性能。两试样的基体组织均为珠光体，但图5b所示的珠光体组织分布要比图5a的均匀。

图4 两试样的石墨形态

图5 两试样的基体组织

3 结论

本文通过实际切削试验，从切削力、刀具磨损和基体组织三方面对Cu-Cr合金灰铸铁和多元合金灰铸铁的切削加工性进行了分析对比。在相同的切削条件下，切削Cu-Cr合金灰铸铁产生的切削力比切削多元合金灰铸铁产生的切削力分别大3.5%和3.8%；切削Cu-Cr合金灰铸铁造成的刀具磨损比切削多元合金灰铸铁的严重；多元合金灰铸铁的基体组织比Cu-Cr合金灰铸铁的基体组织分布均匀。

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