蠕墨鑄鐵加工研究進(jìn)展

袁華，王成勇，郭院，鄭李娟

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，廣東廣州 510006;2.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，廣東佛山 528333)

1 蠕墨鑄鐵材料特性及應(yīng)用

蠕墨鑄鐵 (CGI)因其石墨形狀呈蠕蟲狀而得名(如圖1所示)。1948年美國人 K D MILLS、A P GAGNEBIN和N B PILLING在發(fā)明球墨鑄鐵時就發(fā)現(xiàn)了蠕墨鑄鐵，但當(dāng)時并未引起足夠的重視，對其材質(zhì)的真正研究是從20世紀(jì)60年代才開始。由于它既有接近于球墨鑄鐵的力學(xué)性能，又有與灰口鑄鐵相似的良好鑄造性能和導(dǎo)熱性，因而近二十年來在汽車行業(yè)的應(yīng)用頗受材料研究者關(guān)注［1］。

從化學(xué)成分上看，蠕墨鑄鐵與灰鑄鐵、球墨鑄鐵基本上無太大差異。由于在鑄造過程中鐵水中加入添加劑和保持時間的不同，以及材料的基體組織也不同，因而材料性能產(chǎn)生差異。

蠕墨鑄鐵的拉伸強度是灰鑄鐵的2～3倍，具有比灰鑄鐵高的高溫強度，在500℃以下具有良好的剛性，不會產(chǎn)生變形［2］，適于制造強度要求較高和需承受熱循環(huán)負(fù)荷的零件，如氣缸體、氣缸蓋、排氣歧管和制動鼓等;同時，在玻璃模具、鋼錠模上也大量使用蠕墨鑄鐵。

蠕墨鑄鐵的質(zhì)量比傳統(tǒng)的灰鑄鐵輕一半，對于汽車來說具有更高的燃料能效。此外，其強度和剛度比灰鑄鐵高一倍，從而可以設(shè)計出壁厚更薄的發(fā)動機缸體。一臺裝配好的蠕墨鑄鐵發(fā)動機的質(zhì)量比灰鑄鐵發(fā)動機減輕 9%左右［3］。

由于蠕墨鑄鐵在發(fā)動機缸體缸蓋上穩(wěn)定使用要求蠕化率達(dá)80%以上，此時的蠕墨鑄鐵具有強度高，導(dǎo)熱性、耐熱疲勞性及加工性好等特點，但鑄造技術(shù)難度高。目前全球只有瑞典Sinter Cast(欣特卡斯特)一家企業(yè)能夠規(guī)模化穩(wěn)定地制備蠕化率達(dá)80%以上的蠕鐵產(chǎn)品。故蠕墨鑄鐵只在20世紀(jì)90年代鑄造技術(shù)成熟后才開始批量應(yīng)用于汽車發(fā)動機缸體的鑄件［4－6］。2011年6月我國頒布了新的蠕墨鑄鐵國家標(biāo)準(zhǔn)，將蠕化率定在80%及以上，與國際接軌。

圖1 3種鑄鐵組織圖

由于越來越多灰鑄鐵工件將要被蠕墨鑄鐵代替，所以國外非常重視對蠕墨鑄鐵的研究。目前蠕墨鑄鐵缸體缸蓋已經(jīng)在柴油發(fā)動機上大量應(yīng)用。西方國家2010年僅蠕墨鑄鐵缸體產(chǎn)量就超過了10萬噸。特別是在歐洲，蠕墨鑄鐵的應(yīng)用已經(jīng)普及。福特、奧迪等國外公司的大馬力發(fā)動機缸體已采用蠕墨鑄鐵制造。在日本僅應(yīng)用于部分商用車和SUV的發(fā)動機［7－8］。

國內(nèi)一些企業(yè)也開始對蠕墨鑄鐵進(jìn)行試驗性研究。廣西玉柴機器公司從2006年開始生產(chǎn)蠕墨鑄鐵材質(zhì)柴油機汽缸蓋和曲軸箱鑄件，并在2011年進(jìn)行了蠕墨鑄鐵柴油機汽缸體的試驗。天津新偉祥工業(yè)公司幾年前就引進(jìn)了瑞典Sinter Cast“二步法”技術(shù)和設(shè)備，進(jìn)行蠕墨鑄鐵件的生產(chǎn)。一汽鑄造有限公司和中國一拖集團(tuán)分別在2010年和2012年引進(jìn)了Sinter Cast技術(shù)進(jìn)行蠕墨鑄鐵發(fā)動機缸體和缸蓋的試驗研究［5］。

2 蠕墨鑄鐵切削加工性

不同鑄鐵材料中的石墨形態(tài)、基體成分以及各種元素的質(zhì)量不僅決定其用途，也對由該材料制成的鑄件的加工性能有很大的影響。在使用相同刀具的情況下，蠕墨鑄鐵的加工性能比灰鑄鐵差。由于蠕墨鑄鐵具有一定的韌性，即便蠕墨鑄鐵硬度不高于灰鑄鐵，加工者普遍感到鐵質(zhì)發(fā)黏，有黏刀現(xiàn)象，刀具磨損加快［9］。由于蠕墨鑄鐵的拉伸強度比灰鑄鐵高，在銑削加工時更高的拉伸強度將轉(zhuǎn)化為更大的切削力，這導(dǎo)致切削刀具受力增加，機床的功率也隨之增加15% ～25%。

加工蠕墨鑄鐵，目前面臨以下亟需克服的難題:

(1)蠕墨鑄鐵的導(dǎo)熱率僅為灰鑄鐵的78%，加工時切削熱容易積聚，從而加速刀具的磨損［10］。同時蠕墨鑄鐵的延展性好，更易產(chǎn)生毛刺。

(2)蠕墨鑄鐵的鑄造硬皮為鐵素體結(jié)構(gòu)，加工時容易與刀具切削刃黏結(jié)，產(chǎn)生黏結(jié)磨損。而灰鑄鐵的鑄造硬皮為珠光體結(jié)構(gòu)，相比蠕墨鑄鐵更易加工，不會產(chǎn)生此類問題。

(3)蠕墨鑄鐵由于在鑄造過程中加入蠕化劑，硫化物被消耗，加工時無法像灰鑄鐵一樣在切削刃表面形成具有潤滑作用的MnS，MnS作為潤滑劑起到阻止擴散的作用，使得氧化和擴散率的降低，因而減少了化學(xué)磨損。缺少MnS將直接導(dǎo)致刀具壽命降低［11］。

(4)蠕墨鑄鐵的鑄造工藝中，加入鈦作為合金元素，鈦含量的升高將明顯加速刀具的磨損，使其可加工性大大降低。S DAWSON等在2001年［12］發(fā)現(xiàn):鈦含量從0.01%到0.02%極小的增加將導(dǎo)致CGI刀具壽命降低 50%。Sílvia do Nascimento ROSA等(2010)［13］研究了車削具有不同鈦含量的蠕墨鑄鐵的刀具磨損和表面粗糙度的影響，結(jié)果表明:CGI中鈦含量的增高將顯著降低刀具壽命。

3 蠕墨鑄鐵加工研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對蠕墨鑄鐵的加工機制的研究主要集中在刀具磨損、切削機制等方面。德國、瑞典、巴西、美國等國家對蠕墨鑄鐵加工技術(shù)的研究和應(yīng)用處于世界領(lǐng)先地位。國內(nèi)面向蠕墨鑄鐵加工的研究則剛剛起步。

3.1 切削機制

3.1.1 切屑形成

張玉玲 (2010)［14］應(yīng)用山特維克H13A無涂層刀片和GC1020涂層刀片進(jìn)行銑削加工試驗，對蠕墨鑄鐵材料銑削機制進(jìn)行了試驗研究。在切削速度60～400 m/min的區(qū)間內(nèi)，兩種刀片加工的切屑均呈規(guī)則的螺旋管狀切屑，切削溫度較低。從宏觀和微觀形態(tài)對比來看，在低速切削段，切屑背面條形褶皺較多，切削過程中材料層積現(xiàn)象較為嚴(yán)重，切屑變形大，切屑光面平整性較差，在高速切削段切屑形態(tài)相對較好。

3.1.2 切削力與切削溫度

研究人員在切削速度100～400 m/min，每齒進(jìn)給量fz=0.06～0.24 mm/齒，軸向切深ap=0.4～1.6 mm的試驗條件下銑削蠕墨鑄鐵，GC1020涂層刀具所受切削合力在308～1 598 N范圍內(nèi)變化，影響切削力的最大因素為切削深度［15］。

Ming CHEN(2011)發(fā)現(xiàn)［15］:非涂層刀具銑削(v=240 m/min，fz=0.1 mm/r，ap=0.8 mm)時，CGI的最高溫度位于刀尖，可達(dá)645℃;涂層刀具切削蠕墨鑄鐵的最高溫度位于后刀面，且其平均溫度比非涂層刀具降低40℃左右，顯示涂層具有良好的隔熱性能。

3.2 刀具磨損機制

高速銑削CGI時刀具磨損以黏結(jié)磨損為主，這是因為蠕墨鑄鐵的鑄造硬皮為鐵素體結(jié)構(gòu)，加工時容易與刀具切削刃黏結(jié)，從而產(chǎn)生黏結(jié)磨損。部分學(xué)者認(rèn)為還包含磨粒磨損。后刀面磨損為主要磨損形式［13－15］(圖 2)。M B Da SILVA 等 (2011)［16］用Al2O3硬質(zhì)合金涂層刀具高速銑削蠕墨鑄鐵，發(fā)現(xiàn)刀具后刀面的磨損隨著切削速度的增加而降低，原因不明。當(dāng)切削速度分別取為600、800、1000 m/min時，蠕墨鑄鐵在600 m/min的切削性能最差。

圖2 Al2O3涂層硬質(zhì)合金刀具銑削CGI刀具時后刀面磨損［12］

M GASTEL等 (2000)［11］研究發(fā)現(xiàn)了影響刀具磨損的兩個因素:(1)刀具氧化;(2)刀具與CGI之間的相互擴散。實驗結(jié)果表明:用CBN刀具切削CGI和灰鑄鐵時，化學(xué)反應(yīng)起了重要作用，此時CBN的黏結(jié)相不穩(wěn)定，解體形成B和NO。氧化和擴散實驗揭示兩種材料的摩擦機制基本相同。

相對銑刀，鉆頭的磨損機制不盡相同。V V De OLIVEIRA(2011)［17］利用3種幾何形狀的直徑6 mm的TiAlN涂層硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)行鉆削CGI實驗，SEM圖片顯示，磨粒磨損為鉆頭主要磨損類型。

盧健林 (2009)［18］用涂層硬質(zhì)合金鉆以55～80 m/min的速度鉆削蠕墨鑄鐵，發(fā)現(xiàn)加工蠕墨鑄鐵的刀具耐用度隨著切削速度、進(jìn)給速度和切削深度的增加呈現(xiàn)下降趨勢。其中與切削速度的相關(guān)度最大，其次是進(jìn)給速度，切削深度影響最小。

圖3所示為使用普通硬質(zhì)合金刀具以低切削速度(100～200 m/min)、采用加工灰鑄鐵的標(biāo)準(zhǔn)切削參數(shù)銑削和車削CGI時，刀具壽命大約為切削灰鑄鐵時的50%。與此類似，當(dāng)采用PCBN或陶瓷刀具以高切削速度 (400～800 m/min)進(jìn)行CGI銑削加工時，刀具壽命同樣大約為切削灰鑄鐵時的50%。然而，當(dāng)用PCBN或陶瓷刀具以高速進(jìn)行CGI連續(xù)切削加工(如車削或鏜孔)時，CGI和灰鑄鐵的可加工性的差距非常明顯，刀具的壽命相差懸殊［3］。

圖3 不同刀具材料在斷續(xù)切削 (銑削)和連續(xù)切削 (車削/鏜削)CGI和灰鑄鐵時的刀具壽命比較［4］

研究還發(fā)現(xiàn):切削CGI的最佳速度要低于灰鑄鐵。如果使用400～800 m/min切削速度，刀具壽命將顯著降低;當(dāng)使用PCBN刀具以800 m/min的速度切削 (車削)CGI時，刀具壽命降低為同樣速度切削灰鑄鐵的 1/20［19－20］。

涂層刀具 (后刀面為TiN-Al2O3-TiCN，前刀面為Al2O3-TiCN涂層)切削蠕墨鑄鐵和灰鑄鐵時，刀具壽命隨著材料的硬度、抗拉強度、珠光體含量的增加而降低。切削力變化趨勢則剛好相反，可以作為衡量蠕墨鑄鐵可加工性的一個重要指標(biāo)［21］。

Varun NAYYAR等 (2013)［22］用具有不同幾何形狀及刃口半徑切削刃的涂層刀具 (后刀面為TiN、Al2O3和 TiCN涂層，前刀面為Al2O3和 TiCN涂層)在車床上以不同切削速度鏜削蠕墨鑄鐵試件 (抗拉強度400 MPa)，發(fā)現(xiàn)在CGI的切削中刀具切削刃的幾何半徑越小，測得的切削合力也越小，同時刀具的壽命越長，最小刃口半徑可達(dá)30 μm;切削速度越高，切削刃半徑對壽命的影響越顯著。

3.3 輔助加工條件

S SKVARENINA等 (2006)［20］進(jìn)行了激光輔助加工 (LAM)CGI的研究，通過改變切削深度、進(jìn)給速度和材料的去除溫度，對由此產(chǎn)生的切削力、切削能量、表面粗糙度和刀具磨損進(jìn)行了評估。結(jié)果表明;在材料去除溫度為400℃時，可以成功地進(jìn)行激光輔助加工而不影響精加工表面的微觀結(jié)構(gòu)。此時，進(jìn)給速度0.15 mm/r、切削速度1.7 m/s時刀具壽命是普通切削進(jìn)給在0.1 mm/r的壽命的1.6倍以上。同時，表面粗糙度改善了5%。經(jīng)濟性分析表明，LAM方式加工一個汽缸套可節(jié)約20%的成本。

Eberhard ABELE 等 (2008)［23］使用液態(tài) CO2為冷卻劑，用聚晶金剛石刀具加工蠕墨鑄鐵獲得成功。當(dāng)?shù)毒叩那邢魉俣仍黾?倍時，金剛石刀具的壽命只有小幅度的降低。因此用CO2冷卻金剛石刀具切削蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)效率可以提高一倍。

4 蠕墨鑄鐵加工刀具及加工工藝

4.1 蠕墨鑄鐵加工刀具

由于蠕墨鑄鐵材料的切削特性，加工蠕墨鑄鐵對于任何刀具材料都是困難的。與灰鑄鐵相比，切削速度和刀具壽命將有很大的降低。CGI蠕墨鑄鐵在切削時不能像灰鑄鐵那樣在刀具表面形成MnS保護(hù)層、蠕墨鑄鐵熱傳導(dǎo)率相對較低、鑄造硬皮具有鐵素體結(jié)構(gòu)和加入了鈦作為合金元素，都會導(dǎo)致切削刀具嚴(yán)重磨損［12］。

切削蠕墨鑄鐵的刀具有:涂層硬質(zhì)合金刀具、CBN刀具、陶瓷刀具等。目前生產(chǎn)廠家用于蠕墨鑄鐵切削的主要刀具都為國外知名品牌，如瓦爾特Walter、山特維克Sandvik、肯納Kennal、克洛伊Korloy等。他們各自推出的切削鑄鐵類材料刀具的涂層特點如表1所示。

表1 鑄鐵類材料切削刀具涂層

對于蠕墨鑄鐵銑削加工，涂層一般采用厚層氮碳化鈦 (TiCN)和氧化鋁 (A12O3)。厚涂層厚度為7～10 μm，薄涂層的厚度一般為2～3 μm。在任一切削速度下，鋁氮化鈦涂層刀片壽命為氮化鈦或碳氮化鈦涂層刀片的3 倍［24］。

刀具廠家也開發(fā)了切削鑄鐵的CBN刀具，如Walter公司的 WCB80系列、肯納公司的 KD210系列、山特維克公司的CB7050系列及山高的CBN20系列刀具。但是由于CBN刀具屬高脆性超硬刀具材料，強度和韌性很差，很難用于沖擊力大的加工。觀察用放大鏡拍攝的刃口磨損，CBN刀片加工蠕墨鑄鐵不僅有塑性變形，還會有化學(xué)磨損。由此可見，CBN刀片并不適用于蠕墨鑄鐵的銑削加工，目前只是用于車削等連續(xù)切削的加工，且多用于加工灰鑄鐵。

由于上述原因，研究者普遍認(rèn)為涂層硬質(zhì)合金刀具為加工蠕墨鑄鐵的首選刀具。如Sander GABALDO等 (2010)［25］進(jìn)行了兩種刀具材料 (硬質(zhì)合金和陶瓷)高速加工CGI發(fā)動機缸體的性能研究，在不同的切削速度下對這兩種刀具材料進(jìn)行摩擦機制和刀具壽命的對比。主要結(jié)論是:在CGI發(fā)動機缸體工作面精加工銑削工況下，銑削CGI時從刀具壽命方面考慮，涂層硬質(zhì)合金刀具比陶瓷刀具更好。Ming CHEN等 (2011)［15］發(fā)現(xiàn):TiAlN涂層刀具較非涂層刀具在蠕墨鑄鐵的銑削加工中能獲得更好的表面質(zhì)量和加工效率。

通過增加進(jìn)給速度，降低切削速度可提高高速加工蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)率。這導(dǎo)致了多刀片刀具的應(yīng)用，可以利用多涂層合金刀具實現(xiàn)蠕墨鑄鐵缸體的高效切削［26］。

目前，業(yè)界接受的切削方案是采用超耐磨的合金刀具，以低表面速度 (100～150 m/min)，利用多刀片 (6片或更多)的形式來進(jìn)行大進(jìn)給量的高效切削，以期彌補低速切削的生產(chǎn)率的損失。

總之，雖然涂層刀具是最適合蠕墨鑄鐵加工的刀具材料，但各個廠家推出的基本上都為TiN-Al2O3-TiCN涂層，這是應(yīng)用很普遍的一種涂層，基本上沒有特別針對蠕墨鑄鐵材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，存在切削速度低、刀具磨損快的缺點，無法進(jìn)行高速加工。

4.2 蠕墨鑄鐵加工工藝參數(shù)

在蠕墨鑄鐵的切削加工 (粗加工)中，存在一個臨界切削速度，即切削速度最大值。當(dāng)?shù)毒咔邢魉俣瘸^此臨界值時，刀具磨損會顯著加劇。Walter公司經(jīng)過研究，不同涂層刀具切削蠕墨鑄鐵時，此臨界值為130～140 m/min，即切削速度必須小于130～140 m/min最大值。此外，蠕墨鑄鐵加工中應(yīng)減小嚙合寬度，即減小刀具直徑，粗加工時在加工中心上最大刀盤直徑應(yīng)不超過125 mm。冷卻液、刀具幾何形狀等都對刀具的磨損有著顯著的影響，應(yīng)通過相關(guān)切削試驗，來確定合理的加工方案。

不同的刀具材料加工灰鑄鐵和蠕墨鑄鐵，其工藝參數(shù)也不相同。如果用銑削灰鑄鐵的切削速度和進(jìn)給速度作為100%標(biāo)準(zhǔn)的話，那么用陶瓷刀具切削蠕墨鑄鐵的切削速度應(yīng)為100%～120%，進(jìn)給速度應(yīng)為80%～100%;而用硬質(zhì)合金刀具銑削CGI的切削速度應(yīng)為60%，進(jìn)給速度為100%;而當(dāng)用陶瓷刀具和硬質(zhì)合金刀具鏜削和車削CGI時，切削速度應(yīng)為30%，進(jìn)給速度為90% ～110%［27］。

高速切削蠕墨鑄鐵時，切削液的使用存在爭議。Walter公司認(rèn)為切削液不僅無法提高工件表面質(zhì)量，而且還會降低刀具壽命50%以上，因此對鑄鐵的高速加工一般應(yīng)采用干切削。但Varun NAYYAR(2012)研究發(fā)現(xiàn)［28］，上述結(jié)論只適合于高速加工灰鑄鐵，在涂層刀具以200 m/min以上的速度連續(xù)切削蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵時，切削液能有效降低切削力，提高刀具壽命。當(dāng)切削速度為300 m/min時，涂層刀具干切削蠕墨鑄鐵時的刀具壽命只有濕切削的一半。

4.3 蠕墨鑄鐵高速加工解決方案

在幾年以前，許多機械制造專家還認(rèn)為高速切削CGI是很難實現(xiàn)的，更多的是提倡低速度、多刀片、大進(jìn)給的高效切削。而自旋轉(zhuǎn)刀具的應(yīng)用為CGI鑄鐵的高速加工提供了一種有效途徑。自旋轉(zhuǎn)銑削的概念最早由美國飛機制造巨頭洛克希德公司 (Lockheed Corp.)于20世紀(jì)70年代提出，Rotary Technologies公司對該技術(shù)加以完善，并由UNOVA's Lamb Technicon公司將其應(yīng)用于CGI鑄鐵的鏜削加工。

自旋轉(zhuǎn)刀具是一種采用雙負(fù)切削角的圓形旋轉(zhuǎn)刀具，可有效減輕加工中的摩擦與發(fā)熱，它的應(yīng)用對未來幾年汽車發(fā)動機設(shè)計的改進(jìn)開拓了新的途徑。

Lamb公司 (2005)［11］結(jié)合高剛度機床，使用自旋轉(zhuǎn)刀具系統(tǒng)并輔之刀具軌跡程序，實現(xiàn)了CGI的高速加工。他們對回轉(zhuǎn)式鏜刀進(jìn)行了改裝，在Jaguar630立式加工中心上采用氮化硅陶瓷自旋轉(zhuǎn)粗銑刀具進(jìn)行切削試驗。其試驗所用切削參數(shù)為:銑刀直徑150 mm，轉(zhuǎn)速800 m/min，切削深度5.0 mm，每齒進(jìn)給量為0.2 mm。由于試驗材料來源限制，只在9 min內(nèi)切出了100 kg的切屑。在整個切削時間內(nèi)，對刀具放大150倍觀察，未發(fā)現(xiàn)刀刃有明顯磨損。

5 結(jié)束語

國外對蠕墨鑄鐵加工的研究趨勢是采用特定的刀具結(jié)構(gòu)及特定機床進(jìn)行高速切削，生產(chǎn)企業(yè)需購置昂貴的設(shè)備與技術(shù)解決方案，以規(guī)?；a(chǎn)和高效率加工來降低成本，從而保持競爭優(yōu)勢。

在目前情況下，需要對涂層刀具、陶瓷刀具和PCBN刀具切削蠕墨鑄鐵的切削加工及磨損機制進(jìn)行進(jìn)一步研究，開發(fā)高速銑削蠕墨鑄鐵系列高性能涂層刀具，解決CGI加工過程中刀具磨損過快的問題。

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