金育蓉，任小中，李 彬

（1.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003；2.洛陽(yáng)理工學(xué)院機(jī)械工程系，河南洛陽(yáng) 471023）

兩種不同合金組元的灰鑄鐵切削加工性能

金育蓉1，任小中1，李 彬2

（1.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003；2.洛陽(yáng)理工學(xué)院機(jī)械工程系，河南洛陽(yáng) 471023）

在相同的加工條件下，分別對(duì)Cu-Cr合金和多元合金灰鑄鐵試樣進(jìn)行了切削。利用檢測(cè)和金相觀察等方法獲取了切削力、刀具磨損和基體組織方面的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行了分析對(duì)比。分析結(jié)果表明：加工Cu-Cr合金灰鑄鐵所產(chǎn)生的切削力以及刀具磨損程度比多元合金灰鑄鐵的大，并且Cu-Cr合金灰鑄鐵的基體組織分布沒(méi)有多元合金灰鑄鐵的均勻。所以，多元合金灰鑄鐵的切削加工性能優(yōu)于Cu-Cr合金灰鑄鐵。

灰鑄鐵；Cu-Cr合金；多元合金；切削加工性能

0 引言

灰鑄鐵具有優(yōu)良的鑄造性能、耐磨性和消振性能、較低的缺口敏感性和良好的切削加工等性能，因此被廣泛用于冶金、汽車(chē)、機(jī)械制造等領(lǐng)域［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2009年中國(guó)鑄鐵件產(chǎn)量達(dá)2 630萬(wàn)t（占中國(guó)鑄件產(chǎn)量的74.5%），其中灰鑄鐵產(chǎn)量約1 700萬(wàn)t，球墨鑄鐵產(chǎn)量約870萬(wàn)t，蠕墨鑄鐵產(chǎn)量約30萬(wàn)t，可見(jiàn)灰鑄鐵在鑄造生產(chǎn)中占的比重很大［2］?；诣T鐵主要的缺點(diǎn)是強(qiáng)度相對(duì)較低，主要是石墨對(duì)基體的割裂作用造成的［3］。為了提高灰鑄鐵的強(qiáng)度，常常在灰鑄鐵中添加一些合金元素［4－5］，如Cu、Cr、Mo、Ni等。但是灰鑄鐵強(qiáng)度的提高，往往又會(huì)降低其切削加工性能［6］。目前，在很多中外合資的汽車(chē)加工廠(chǎng)中，如果國(guó)內(nèi)外采用同牌號(hào)鑄件加工灰鑄件缸體，進(jìn)口鑄件加工時(shí)的刀具磨損要比國(guó)產(chǎn)鑄件小得多，這對(duì)生產(chǎn)效率產(chǎn)生了極大的影響［7］。轎車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)上的數(shù)控機(jī)床、加工中心普遍采用高速切削和高級(jí)刀具，刀具的磨損和使用壽命對(duì)材料切削性能的好壞十分敏感［8］。因此，灰鑄鐵的切削加工性能就成為機(jī)械加工行業(yè)共同關(guān)心的技術(shù)問(wèn)題。

文獻(xiàn)［9］指出灰鑄鐵的基體組織對(duì)其加工性能起著決定性的作用，均勻一致的顯微組織是獲得良好加工性能的關(guān)鍵。文獻(xiàn)［10］研究了灰鑄鐵中C、Cu、Cr、Sn含量變化對(duì)切削刀具（硬質(zhì)合金）磨損的影響。然而，專(zhuān)門(mén)研究Cu-Cr合金和多元合金灰鑄鐵切削加工性能的報(bào)道比較少。評(píng)定材料切削加工性能的指標(biāo)主要有刀具壽命、切削力、切削溫度、切削功率和已加工表面質(zhì)量指標(biāo)。本文是通過(guò)加工材料時(shí)產(chǎn)生的切削力大小和刀具磨損程度來(lái)衡量Cu-Cr合金和多元合金灰鑄鐵的切削加工性能，這對(duì)以后研究合金灰鑄鐵切削加工性能提供了參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)選用CA6140普通車(chē)床，其主軸最高轉(zhuǎn)速為1 400 r／m in，主電動(dòng)機(jī)功率為7.5 kW。選用機(jī)夾不重磨車(chē)刀，刀片為AC410K復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀片（刀片型號(hào)：CNMG120408N-UX）。工件材料為Cu-Cr合金灰鑄鐵和多元合金灰鑄鐵，直徑為φ56 mm×300 mm的圓柱體試樣。兩試樣采用同一均質(zhì)材料，強(qiáng)度達(dá)到HT300的標(biāo)準(zhǔn)，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。采用QB-07型雙平行八角環(huán)測(cè)力儀，并配合使用DH5923動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析儀，進(jìn)行切削力信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換。利用OLYMPUS PMG3金相顯微鏡配合SISCAS.V8.0金相圖像分析軟件對(duì)試樣組織進(jìn)行觀察。

表1 兩試樣材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 試驗(yàn)方法

圖1 切削力測(cè)量系統(tǒng)示意圖

試驗(yàn)采用電阻應(yīng)變片式測(cè)力儀。將八角環(huán)測(cè)力儀固定在車(chē)床刀架上，刀具裝在測(cè)力儀上，將各數(shù)據(jù)線(xiàn)與電腦連接。在車(chē)削過(guò)程中，八角環(huán)測(cè)力儀采集到的電信號(hào)經(jīng)電阻應(yīng)變儀處理輸出，再由數(shù)據(jù)采集卡記錄并存到電腦中，然后利用相關(guān)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖1所示為切削力測(cè)量系統(tǒng)示意圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 兩試樣的加工性能檢測(cè)

切削試樣前，首先對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，具體的標(biāo)定方案參考一種車(chē)削測(cè)力儀的標(biāo)定裝置和標(biāo)定方法［11］。對(duì)所標(biāo)定的數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行回歸分析，得到主切削力FZ與應(yīng)變有效值ε的對(duì)應(yīng)關(guān)系式為：

在切削的過(guò)程中，切削力引起應(yīng)變片變形，則應(yīng)變片的電阻值發(fā)生改變，而應(yīng)變片的電阻變化率與應(yīng)變值呈線(xiàn)性關(guān)系，其對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性關(guān)系式為：

式中，K由一批產(chǎn)品中抽樣檢驗(yàn)決定，作為該批產(chǎn)品的靈敏因數(shù)。再通過(guò)應(yīng)變儀的惠斯登電路能將應(yīng)變值顯示出來(lái)，將其代入式（1），計(jì)算出切削力值。

對(duì)兩試樣進(jìn)行兩組試驗(yàn)。設(shè)備的采樣頻率均為50 Hz。每次切削為5個(gè)周期，一個(gè)周期20.5 s。兩組試驗(yàn)的車(chē)削進(jìn)給量均為f＝0.451 mm／r，切削深度均為ap＝1.75 mm，切削速度分別為v1＝31.65 m／min，v2＝49.24 m／min。兩組試驗(yàn)的測(cè)量應(yīng)變數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 應(yīng)變數(shù)據(jù)

當(dāng)v1＝31.65 m／m in時(shí)，將表2中對(duì)應(yīng)的應(yīng)變有效值ε代入式（1），可以得出切削Cu-Cr合金灰鑄鐵時(shí)的切削力FZ為978.76 N，切削多元合金灰鑄鐵時(shí)的切削力FZ為944.32 N。同理，當(dāng)v2＝49.24 m／m in時(shí)，將表2中對(duì)應(yīng)的應(yīng)變有效值ε代入式（1），可以得出切削Cu-Cr合金灰鑄鐵時(shí)的切削力FZ為1 004.22 N，切削多元合金灰鑄鐵的切削力FZ為965.29 N。

從以上兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：含Cu-Cr合金灰鑄鐵的切削力比多元合金灰鑄鐵的切削力分別大3.5%和3.8%?？梢?jiàn)，Cu-Cr合金灰鑄鐵的切削加工性比多元合金灰鑄鐵的差。

2.2 兩試樣的刀具磨損分析

圖2和圖3分別是同一批次的AC410K復(fù)合涂層硬質(zhì)合金刀片在切削速度分別為v1＝31.65 m／min，v2＝49.24 m／min的條件下，對(duì)Cu-Cr合金灰鑄鐵和多元合金灰鑄鐵兩試樣切削5個(gè)周期、切削距離分別為135.30 mm和210.45 mm后的刀具前刀面磨損情況。從圖2和圖3所掃描的照片標(biāo)記中可以看出：圖2a和圖3a所示刀具刀尖部分的涂層剝落程度明顯比圖2b和圖3b的嚴(yán)重。這是因?yàn)榈毒咴谇邢鲿r(shí)，由于受到工件、切屑的摩擦作用，刀具材料逐漸被磨耗或出現(xiàn)破損［12］。本試驗(yàn)的切削距離較短，刀具處于初期磨損階段，兩試樣的表面上都含有碳化物等硬質(zhì)點(diǎn)。這些硬質(zhì)點(diǎn)在切削時(shí)如同“磨料”，對(duì)刀具表面產(chǎn)生摩擦和刻劃作用，從而導(dǎo)致涂層剝落。由此可以斷定多元合金灰鑄鐵的切削性能優(yōu)于Cu-Cr合金灰鑄鐵。

圖2 切削速度v1＝31.65 m／m in時(shí)的刀具磨損情況

圖3 切削速度v2＝49.24 m／m in時(shí)的刀具磨損情況

2.3 兩試樣的金相組織分析

圖4和圖5分別是兩試樣的石墨形態(tài)和基體組織顯微照片。鑄鐵中的碳主要是以石墨的形式存在的，鑄鐵的力學(xué)性能主要取決于基體組織及石墨的數(shù)量、形狀、大小和分布。分布于基體上的石墨由于其延伸率接近于零，故可視其為空洞或裂紋［13］。從兩試樣的石墨形態(tài)（圖4a和圖4b）的對(duì)比可以看出：兩試樣都分布著片狀的A型石墨，但它們的石墨形態(tài)有著明顯的差異。圖4a中的石墨細(xì)長(zhǎng)，還夾雜著C型石墨，C型石墨不利于刀具的潤(rùn)滑和斷屑［14］，于是就使切削力增大。圖4b中的石墨細(xì)小且分布均勻，材料的塑性變形相對(duì)較小，改善了切削加工性能。兩試樣的基體組織均為珠光體，但圖5b所示的珠光體組織分布要比圖5a的均勻。

圖4 兩試樣的石墨形態(tài)

圖5 兩試樣的基體組織

3 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)際切削試驗(yàn)，從切削力、刀具磨損和基體組織三方面對(duì)Cu-Cr合金灰鑄鐵和多元合金灰鑄鐵的切削加工性進(jìn)行了分析對(duì)比。在相同的切削條件下，切削Cu-Cr合金灰鑄鐵產(chǎn)生的切削力比切削多元合金灰鑄鐵產(chǎn)生的切削力分別大3.5%和3.8%；切削Cu-Cr合金灰鑄鐵造成的刀具磨損比切削多元合金灰鑄鐵的嚴(yán)重；多元合金灰鑄鐵的基體組織比Cu-Cr合金灰鑄鐵的基體組織分布均勻。

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TG506.7

A

1672－6871（2014）01－0017－04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51105188）；河南省教育廳自然科學(xué)研究基金項(xiàng)目（12B460016）

金育蓉（1987－），女，河南長(zhǎng)垣人，碩士生；任小中（1957－），男，河南武陟人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閭鲃?dòng)件先進(jìn)制造技術(shù).

2013－03－23