PCBN刀具切削不同鑄鐵材料磨損研究

發布時間: 2020-06-20 發布者: 富耐克應用研究中心

聚晶立方氮化硼(PCBN)超硬材料刀具的高硬度、良好的耐磨性及化學穩定性, 其在汽車制造領域的應用變得越來越廣泛。對國內外學者們使用PCBN超硬材料刀具加工灰鑄鐵、 球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵的研究現狀進行總結分析, 主要從刀具材料、 工藝參數、 工件材料、 切削環境及加工方式等幾個方面對PCBN超硬材料刀具切削加工三種鑄鐵時的磨損機制進行分析,最后總結了切削不同種類鑄鐵材料時刀具的磨損情況。

1.常見鑄鐵分類

目前汽車發動機制造領域常用的鑄鐵主要包括灰鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵,其組織性能及應用特點見表1。各類鑄鐵材料中的石墨形狀、基體成分以及各種化學元素含量的不同決定了其用途不同,也影響了由該材料制成的鑄件的加工性能。

表1 各種鑄鐵材料的性能及用途

鑄鐵種類

石墨形狀

性能特點

主要用途

灰鑄鐵

片狀

易于鑄造、焊接性能極差、減磨減震性好

齒輪、各種箱體及底座

球墨鑄鐵

球狀

強度和塑性較高、易出現球化不良現象

汽車曲軸、內燃機連桿

蠕墨鑄鐵

蠕蟲狀

鑄造性能良好、強度和沖擊韌性較高、耐磨

汽車發動機、剎車盤、柴油機缸蓋

2.PCBN刀具切削鑄鐵材料的磨損

PCBN刀具適合高速干切削灰鑄鐵,影響PCBN刀具磨損的因素主要有刀具的CBN含量及粘結劑種類、刀具切削參數和幾何參數、工件材料等。

加工灰鑄鐵和球墨鑄鐵,研究表明在加工相同面積的灰鑄鐵時,高含量(>90%)的PCBN刀具比低含量(<75%)的PCBN刀具磨損量更小,這是因為CBN含量高的刀具硬度更高、耐磨性更好、壽命更長;研究發現,切削速度對刀具的磨損機制影響很大,當切削速度小于150m/min時,以粘結磨損為主;切削速度大于150m/min時,擴散磨損和化學磨損為主。而蠕墨鑄鐵屬于難加工材料,主要原因是因為切削蠕墨鑄鐵時的刀尖溫度較加工灰鑄鐵高,蠕墨鑄鐵的生產過程中硫元素流失嚴重,所以形成不了在加工灰鑄鐵時能夠保護PCBN刀具的MnS層,導致切削時產生嚴重的化學磨損,刀具壽命降低。此外,蠕墨鑄鐵中高的Ti含量也是造成刀具磨損嚴重的原因,工件中的Ti或其化合物硬度較高,會加劇刀具的磨粒磨損。

雖然切削不同鑄鐵材料時的刀具磨損機制大致相同,如粘結磨損、擴散磨損和化學磨損等,但刀具的磨損情況卻有很大的差別。PCBN刀具切削鐵素體含量較高的灰鑄鐵時,在前刀面易形成月牙洼,且在切削刃處會出現很多熱應力裂紋;在切削球墨鑄鐵時,在沖擊力的作用下刀具易發生崩刃,也會出現因粘結磨損導致的月牙洼;切削蠕墨鑄鐵時,由于鑄鐵中Ti元素的影響及難以形成MnS潤滑膜,刀具磨損更為嚴重,以氧化和擴散磨損等化學磨損為主。目前PCBN切削蠕墨鑄鐵并不理想,還需要對刀具材料及切削工藝和磨損機理進行深入研究。

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