石墨灰口铁(CGI)材料切削的刀具选用

结构致密的石墨灰口铁(CGI)越来越多地被应用于柴油机和赛车发动机零件的制造。而刀具的选用可以决定加工车间对这种挑战性材料加工的有效程度。

发展中的新型韧性工件材料促使刀具制造商不断地开发合适的新型刀具几何形状、各种级别的碳化物硬质合金和刀具表面的喷涂技术。例如,为航空工业提供服务的加工车间,就必须找到有效的方法来加工5553钛合金及其合成材料。为医疗行业服务的加工车间也遇到了同样的问题,如要求他们加工PEEK聚合体材料、不锈钢和一些其他特殊的材料。在汽车工业前进的道路上,还有一种不太容易加工的材料,这就是结构致密的石墨灰口铁(CGI)。这种材料主要用于生产发动机组、气缸盖和轴承盖铸件,这些部件一般用于大型柴油机卡车之中。其目的是为了能更好地提高长途运输汽车的燃油效率,因为CGI材料的重量只相当于普通灰铸铁的一半。另外,其强度和刚性相当于灰铸铁的两倍,这有助于设计人员将发动机组的壁厚设计降低到最低限度。因此,一般来说,由CGI材料制造和组装而成的发动机要比灰铸铁制造的发动机重量轻9%。

CGI材料已在欧洲应用了一段时间,在美国也为大多数人所接受。在柴油发动机中,这种材料能承受峰值燃烧压力,而这是带有铸铁气缸衬套的铝制发动机所不具备的一种能力。有些高性能、V型赛车发动机也采用CGI材料制造,这主要因为它不但能够减轻汽车的重量,而且还可以提高刚性,特别是处于气缸之间的谷峰状态之下。

Sandvik Coromant 公司(位于新泽西州Fair Lawn市)的汽车铣削加工部工业专家Robert McAnally先生解释说,CGI材料的加工具有更大挑战性的一个原因,是由于其抗拉强度相当于灰铸铁的2~3倍。在铣削加工中,抗拉强度越高就意味着所需的切削力越大——在加工CGI材料时,所需要的加工功率要比加工灰铸铁高15%～25%左右。因此,为灰铸铁加工配备的车间设备可能不具备加工CGI材料的能力。McAnally先生指出,他们还面临着其他几项挑战:CGI材料的导热率相对较低,因此,加工中产生的热量很容易传导到工件之中,这必然会影响刀具的磨损。相反,灰铸铁的导热率较高,因此在切削过程中产生的热量很容易被切屑带走。

CGI元件上的铸铁表面是一种三价铁结构,加工时,这种材料很容易粘结在刀具的刀刃上。在加工灰铸铁时就不会发生这种情况,因为灰铸铁呈现一种珠光体结构。

不同于灰铸铁,CGI材料不含硫。灰铸铁中的硫含量会沉积在刀具的刀刃上,起到润滑刀具的作用,可延长刀具的使用寿命。在CGI材料的铸造过程中,钛金属可作为一种合金元素,可以使铸铁表面的韧性更高。但这也会使整个铸铁中形成带有摩擦力的自由碳化物。CGI材料中合金元素的多少对其材料的加工性能和刀具的使用寿命具有很大的影响。

由于受到这些因素的影响,切削CGI材料的刀具使用寿命一般只相当于切削灰铸铁刀具的一半。

铣削和镗削加工

CGI材料的铣削表面光洁度(Rz)要比灰铸铁的铣削表面光洁度强50%左右,这意味着既可以减少加工时的走刀次数,又可以不使用单独的精加工刀具,但却可以达到所需的光洁度。在加工过程中,刀具的切削不会使CGI元件边缘产生崩断现象。灰铸铁容易产生碎屑和崩断现象,会导致加工件报废。在这方面,CGI材料的性能更像钢材,容易产生毛刺,但不会出现崩断现象。

如果采用普通的工艺,由于加工CGI材料需要降低切削速度,因此加工其所需的时间几乎相当于加工灰铸铁时间的3倍。Sandvik公司已经进行了多种试验,以确定加工CGI材料的更有效加工方法。对于铣削加工而言,该公司已经确定,刀具加工最好的材料还是采用碳化物合金材料,在其表面上再喷涂厚厚的一层氮化碳钛合金(TiCn)和一层氧化铝(Al203)。McAnally先生认为较厚的喷涂层厚度应为7~10μm,较薄的涂层一般为2~3μm。

对于车削和镗磨加工来说,该公司建议采用一种碳化物基质材料,并使用化学蒸汽沉积法(CVD),在其表面增加一层较厚的、具有较高抗摩擦磨损性能和抗磨特性的涂层。现已发现,采用CBN镶刀片对CGI材料进行镗削加工,其刀具的使用寿命只相当于镗削加工灰铸铁时的1/10。采用略微带正角几何形状的刀具(5 ~10°之间)是比较恰当的,并建议对CGI材料的加工不使用冷却液。

Sandvik公司与Makino公司合作,共同开发了一种镗削加工工艺,只需一次走刀就可完成对汽缸的粗镗加工。Sandvik公司开发的装有多个镶刀片的刀具叫做长切削刃刀具。刀具按螺旋式路径向气缸方向进给,据说加工一个孔径所需的时间与加工灰铸铁时的情况差不多。发动机在组装前的最后一道加工就是珩磨加工。

在开发这一新型精镗加工工艺的同时,这两家公司决定采用传统的单头铣刀,铣刀上的镶刀片带有Si3Ni4涂层,其几何形状最适合于CGI材料的镗削加工。

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