冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的切削加工

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1．冷硬铸铁和耐磨合金铸铁有哪些特点？

    冷硬铸铁和耐磨合金铸铁是生产中常用的耐磨材料。冷硬铸铁也称激冷铸铁，它是在铸型中放置冷铁，以加快铸件的冷却速度而得到的。冷硬铸铁的典型化学成分为：C含量3％～3.5％，Si含量0.5％～0.7％，Mn含量0.5 ％～0.7％，P含量<0.4％，S含量<0.07％。冷硬铸铁的特点是表面部分发生白口化，硬度和耐磨性大大提高，内部仍保持灰口组织，以防整体脆化。激冷表层硬度达HRC60左右，压延机轧辊就是一例。 6 ~5 t% p% l. Z' g* \8 v) s$ R9 z

    激冷镍铬铸铁也属此例。激冷镍铬铸铁Ni含量为4％，Cr含量为1.1％，Ni使珠光体与石墨细化，增加了铸铁的强度与耐磨性。加入Ni还能提高热强性。激冷镍铬铸铁的硬度可达HRC60，常用来制造轧辊。

    高铬铸铁是高温耐磨铸铁，其典型成分为：Cr含量22％～25％，Si含量1.2％，Mn含量0.3％～0.75％。Cr的加入可提高铸铁的耐磨性，因为Cr能在铸件表面形成致密的保护膜Cr2O3。Cr的加入也生成碳化物，提高了铸铁的硬度与强度。高铬铸铁可用来制造在800℃以上高温下工作的耐磨件。 ! O* q3 H- u8 J8 f; k

    钻探中用的泥浆泵，是用耐磨合金铸铁Crl5Mo3制造的，其硬度达HRC62，是目前最难切削加工的金属材料之一。

    2．冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的切削加工特点有哪些？ 8 A( M+ w$ E4 _2 D0 ^5 E0 R

    (1)冷硬铸铁和耐磨合金铸铁是典型的硬脆材料，表面硬度很高。粗加工时，单位切削力达3 000 MPa，强烈的冲击极易引起振动，加剧刀具的磨损。 ) A9 t' Q/ M9 [+ {/ }% ^" g, u4 e

    (2)冷硬铸铁常被用来制作各种轧辊，结构尺寸大，加工余量也大，车削时要采用较大的切削深度和进给量，对刀具的强度和工艺系统刚性要求较高。

    (3)冷硬铸铁和耐磨合金铸铁具有高硬度和较高的热强度。特别是大件，切削时刀具连续工作时间长，刀具的温度很高，容易出现刀体变形或焊接刀片开焊的现象而使刀具损坏。 1 d: J) }, ~7 H1 ~+ K2 d ~

    (4)冷硬铸铁表层组织为白口，性质硬而脆，当刀具切入或切出时，容易出现崩边现象，造成废品或损坏刀具。

    (5)毛坯表面加工余量不匀和气孔、砂眼等铸造缺陷使切削时冲击较大，也容易损坏刀具。 $ U) @, f/ X' s* r0 R

    (6)冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的切屑呈碎状，且瞬时温度很高，应防止崩入眼内或内衣中，造成对操作者的身体伤害。

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耐磨合金铸铁

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    3．切削冷硬铸铁和耐磨合金铸铁选择什么刀具材料？ 3 r) W, A$ L. Z; e9 e3 b

    根据冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的切削加工特点，要求刀具材料红硬性高、耐冲击、耐磨性好、抗弯强度高、导热系数大。可选用含TaC或NbC的K类新牌号硬质合金，如600、610，643、643M、726，YS2，YM0511 YM052、YM053等，切削效率和刀具耐用度比使用YG3、YG6、YG6A等高得多(见表6-1)，也可选用陶瓷刀具材料。 4 x5 b& V9 j0 t; K W7 ]: K+ l

 

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    4．切削加工冷硬铸铁和耐磨合金铸铁怎样选择刀具几何参数？ ! U T& g& j* M9 M0 B$ \

    冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的硬度、强度都很高，切削时多是粗加工的断续切削，要求刃口有足够的强度，应选择负前角和较小的后角。且不同刀具材料应选择不同的合理前角、后角值。例如，YW1取γ₀=-5。～0。，α₀=5。～10。；643取γ₀=-5。，α₀=10。～15。；PCBN取γ₀=-10。～0。，α₀=6。～8。；陶瓷刀片取γ₀=-15。～-5。，α₀=6。～10。。

    切削冷硬铸铁和耐磨合金铸铁时，单位切削力大，切削温度高。为了减小单位切削刃上的负荷，改善散热条件，减少崩刃，提高刀具耐用度，宜选用较小的主偏角和负刃倾角。一般κ_r≤45。，硬质合金刀片λ_s≤-6。；陶瓷刀片λ_s=-10。～-5。。刀尖圆弧半径可大些，γ_ε≥1.0 mm。机床刚性较差或精加工时，也可适当加大主偏角，减小刀尖圆弧半径。对于陶瓷刀片和PCBN刀片，刃口应有负倒棱，γ₀₁=-30。～-20~，b_γ=0.2～0.3 mm。

    5．切削加工冷硬铸铁和耐磨合金铸铁怎样选择切削用量？

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    根据冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的切削加工性能，在选择切削用量时，必须考虑切削用量对刀具耐用度的影响。根据不同的切削对象和刀具材料，切削速度、进给量和切削深度应进行合理组合。

    采用硬质合金刀具时，应选用较低的切削速度，适当加大切削深度并尽可能减少走刀次数，以提高刀具耐用度。粗车时Vc=8～12 m/min，α_p=5～10 mm，f=0.5～1.0 mm/r；半精车时，Vc=15～20 m/min，α_p =0.5～2 mm，f=0.1～0.3 mm/r。

    采用陶瓷刀片应取较小的进给量和尽可能高的切削速度，一般Vc=40～60 m/min，α_p =0.5～2 mm，f=0.3～0.6 mm/r。

    采用PCBN刀片时，切削速度可以提高到70～80 m/min，α_p =0.5～2 mm，f=0.1～0.3 mm/r。

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    6．用氮化硅陶瓷刀具车削冷硬铸铁有哪些优点？

    氮化硅陶瓷具有高硬度(HRA94)、高强度(抗弯强度为1050～1450 MPa)、良好的自润滑性能、低摩擦系数及抗粘接性能。使用氮化硅陶瓷刀具车削冷硬合金铸铁有以下优点：

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    (1)切削速度高：冷硬合金铸铁的硬度为HRC50～52(HS67～70)，用YG8硬质合金刀具车削，切削速度为5 m/min左右。而用氮化硅陶瓷刀具时切削速度则是25～35 m/min，为硬质合金刀具的5～7倍。又如，用硬质合金刀具车削冷硬铸铁轧辊(HS71～73)，切削速度为6.8 m/min，而用氮化硅陶瓷刀具时切削速度为23 m/min。

    (2)耐用度高：用YG8硬质合金车削冷硬合金铸铁(Vc=5.3 m/min)，当后刀面磨损0.8 mm时，切削路程为360 m；而用氮化硅陶瓷刀具以28 m/min的切削速度，后刀面磨损0.8 mm时的切削路程为2560 m；再将切削速度提高到34 m/min时，在相同的后刀面磨损情况下，切削路程则是2340 m。可见，在相同的磨损情况下，从切削路程来看，氮化硅陶瓷刀具的耐用度为硬质合金的6～7倍。用氮化硅混合陶瓷F85车冷硬合金铸铁轧辊的刀具耐用度是YG3、YG6硬质合金的5～16倍。

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    7．用立方氮化硼刀具切削冷硬铸铁有哪些显著效果？

    立方氮化硼(CBN)刀具，由于硬度、耐磨性和耐热性高于硬质合金和陶瓷等刀具材料，可以使用较高的切削速度切削硬度高(HS58～68)的冷硬铸铁，其切削效果明显高于使用其他刀具材料。

    (1)切削速度高：用DLS—F立方氮化硼复合片切削球墨冷硬铸铁，可以使用较高的切削速度。刀具几何参数为γ₀=-3。，α₀=8。，κ_r=84。，λ_s=0。，γ_ε=0.6 mm，γ₀₁=6。，b_γ=0.3 mm。当Vc=60 m/min，α_p =0.3 mm，f=0.22 mm/r时，切削160 min后，后刀面只磨损了0.16 mm。而使用YG6X硬质合金刀具的切削速度只有6.6 m/min，仅为立方氮化硼刀具的1/9。

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    (2)耐用度高：用德国比尔斯公司生产的立方氮化硼圆刀片，以Vc=40 m/min、f=0.16 mm/r的切削用量加工HRC55的冷硬铸铁，刀具耐用度为500 min，而用陶瓷刀具加工时刀具耐用度只有5 min。立方氮化硼刀具的耐用度是陶瓷刀具的100倍。

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(3)加工精度和表面质量好：用硬质合金刀具车削HRC50的表面喷涂冷硬铸铁轧辊，当Vc=20 m/min、α_p =0.3 mm、f=0.22 mm/r时，圆度误差高达0.5 mm，表面粗糙度Ra为12.5μm；而使用立方氮化硼刀具车削，切削速度提高了，圆度误差很小，表面粗糙度Ra小于0.8μm。

    (4)金属切除率高：用立方氮化硼刀具切削冷硬铸铁轧辊，可以获得极高的金属切除率。例如，当Vc=6l m/min、α_p =/mm、f=0.94 mm/r时，金属切除率达400 cm³/min，刀具几乎没有磨损。

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    (5)可以代替磨削：ASH离心式泥浆泵是用极耐磨的镍铬白口铁制造的。这种材料极难切削，以前认为只能用磨削加工，但磨削时的高温会使工件产生热裂纹。现在可以采用立方氮化硼复合片以车代磨。这种刀具抗弯强度高，经得起冲击载荷。采用PCBN圆形刀片，粗车时，Vc=55 m/min，α_p =3 mm，f=0.25 mm/r；精车时，f=0.2 mm，表面粗糙度Ra为0.8μm。

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    此外，还可以铣代磨加工镍铬白口铁，也采用圆形带倒棱的PCBN复合片做成铣刀，以Vc=175～225 m/min、α_f =0.1～0.25 mm/z、α_p =0.5～2.5 mm的用量进行铣削，表面粗糙度Ra可达2～2.5μm。

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冷硬铸铁等难加工材料

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   8．切削冷硬铸铁和耐磨合金铸铁实例有哪些？

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(1)车削轧辊：工件材质为冷硬铸铁，刀具材料为YG6X硬质合金，刀具几何参数见图6-1。切削用量为Vc=5～7 m/min，α_p =3～6 mm，f=1.5～2.5 mm/r。

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     (2)精车冷硬铸铁轧辊：采用聚晶立方氮化硼复合片作为刀具材料的车刀，如图6-2所示。这种刀片硬度高，耐磨性和耐热性大大高于硬质合金，适于精车高硬度冷硬铸铁轧辊。车削时切削用量为：Vc=50～70 m/min，α_p=0.5～1 mm，

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f=0.2～0.4 mm/r。工件表面粗糙度Ra为3.2～1.6μm。加工效率为硬质合金刀具的10倍以上。

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     (3)铣削白口铁：刀具材料为Si₃N₄陶瓷圆形刀片，机械夹固在铣刀盘上。刀具的切深和进给前角为-10°。切削用量为：Vc=70～90 m/min，α_p=1～2 mm，V_f=160～230 mm/min。加工后表面粗糙度Ra为6.3～3.2μm。

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    (4)车削高铬铸铁：被切削材料的硬度为HRC46～50，采用YD15超细颗粒硬质合金刀具进行车削。在切削用量为Vc=30～40 m/min、α_p=3～4 mm、f=0.8～1.5 mm/r的条件下，刀具耐用度比采用YG6刀片高近10倍。

    (5)车削轧辊：工件材质为冷硬铸铁，硬度为HS70～72。刀具材料为Si3N4陶瓷，刀具几何参数为：γ₀=-14。，α₀=6。，κ_γ=30。，λs=-5。，γ_ε=1.2～1.5 mm，γ₀₁=-20。～-15。，b_γ=0.2～0.3 mm。切削用量：粗车时Vc=55 m/min，α_p =3.75mm，f=2.6 mm/r；精车时Vc=34 m/min；α_p =0.2 mm，f=1.2 mm/r。