PCBN刀具切削不同铸铁材料磨损研究

发布时间: 2020-06-20 发布者: 富耐克应用研究中心

聚晶立方氮化硼(PCBN)超硬材料刀具的高硬度、良好的耐磨性及化学稳定性, 其在汽车制造领域的应用变得越来越广泛。对国内外学者们使用PCBN超硬材料刀具加工灰铸铁、 球墨铸铁和蠕墨铸铁的研究现状进行总结分析, 主要从刀具材料、 工艺参数、 工件材料、 切削环境及加工方式等几个方面对PCBN超硬材料刀具切削加工三种铸铁时的磨损机制进行分析,最后总结了切削不同种类铸铁材料时刀具的磨损情况。

1.常见铸铁分类

目前汽车发动机制造领域常用的铸铁主要包括灰铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁,其组织性能及应用特点见表1。各类铸铁材料中的石墨形状、基体成分以及各种化学元素含量的不同决定了其用途不同,也影响了由该材料制成的铸件的加工性能。

表1 各种铸铁材料的性能及用途

铸铁种类

石墨形状

性能特点

主要用途

灰铸铁

片状

易于铸造、焊接性能极差、减磨减震性好

齿轮、各种箱体及底座

球墨铸铁

球状

强度和塑性较高、易出现球化不良现象

汽车曲轴、内燃机连杆

蠕墨铸铁

蠕虫状

铸造性能良好、强度和冲击韧性较高、耐磨

汽车发动机、刹车盘、柴油机缸盖

2。PCBN刀具切削铸铁材料的磨损

PCBN刀具适合高速干切削灰铸铁,影响PCBN刀具磨损的因素主要有刀具的CBN含量及粘结剂种类、刀具切削参数和几何参数、工件材料等。

加工灰铸铁和球墨铸铁,研究表明在加工相同面积的灰铸铁时,高含量(>90%)的PCBN刀具比低含量(<75%)的PCBN刀具磨损量更小,这是因为CBN含量高的刀具硬度更高、耐磨性更好、寿命更长;研究发现,切削速度对刀具的磨损机制影响很大,当切削速度小于150m/min时,以粘结磨损为主;切削速度大于150m/min时,扩散磨损和化学磨损为主。而蠕墨铸铁属于难加工材料,主要原因是因为切削蠕墨铸铁时的刀尖温度较加工灰铸铁高,蠕墨铸铁的生产过程中硫元素流失严重,所以形成不了在加工灰铸铁时能够保护PCBN刀具的MnS层,导致切削时产生严重的化学磨损,刀具寿命降低。此外,蠕墨铸铁中高的Ti含量也是造成刀具磨损严重的原因,工件中的Ti或其化合物硬度较高,会加剧刀具的磨粒磨损。

虽然切削不同铸铁材料时的刀具磨损机制大致相同,如粘结磨损、扩散磨损和化学磨损等,但刀具的磨损情况却有很大的差别。PCBN刀具切削铁素体含量较高的灰铸铁时,在前刀面易形成月牙洼,且在切削刃处会出现很多热应力裂纹;在切削球墨铸铁时,在冲击力的作用下刀具易发生崩刃,也会出现因粘结磨损导致的月牙洼;切削蠕墨铸铁时,由于铸铁中Ti元素的影响及难以形成MnS润滑膜,刀具磨损更为严重,以氧化和扩散磨损等化学磨损为主。目前PCBN切削蠕墨铸铁并不理想,还需要对刀具材料及切削工艺和磨损机理进行深入研究。

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