灰铸铁中的石墨在切削加工过程中的变形规律及其对切削加工性能的影响_图文

1、灰铸铁中的石墨在切削加工过程中的变形规律及其对切削加工性能的影响王金国1，逄伟2，于家祥1，姜启川1（吉林大学，吉林 长春130025；一汽铸造有限公司，吉林 长春 130001）摘要：对比研究了不同变质处理高强度灰铸铁的组织、力学性能及车削加工过程中切削抗力、车刀磨损和钻削加工过程中的扭矩、钻头磨损，分析了切削加工过程中石墨组织的变形规律，提出了切削加工过程中，在剪切区内石墨将沿剪切面发生规律性变形，在相同石墨体积分数下，细化石墨、增加石墨数量能够降低切削加工过程中的切削抗力、降低切削加工中的能量消耗，提高高强度灰铸铁的切削加工性能。获得高强度易切削加工灰铸铁的组织条件为细小、弯曲、均匀分布

2、的石墨组织与细小片间距的珠光体基体。 关键词：灰铸铁；组织；变形；加工性能1 引言灰铸铁是一种传统的结构材料，凭借其低廉的生产成本、优异的铸造性能和加工性能得到了非常广泛的应用，但近些年来考虑到轻量化和强度问题，灰铸铁面临着与铝、镁等轻合金及与球墨铸铁、蠕墨铸铁之间的竞争，其用量有所减少。但由于灰铸铁独特性质，制造如重型卡车发动机的缸体毛坯仍然以高强度灰铸铁为主。研究人员采用各种方法力图保持灰铸铁的铸造成型特性，同时提高灰铸铁的力学性能，开发出各种新型的高强度灰铸铁。一般而言，灰铸铁中由于存在大量的石墨，限制了灰铸铁力学性能的提高，但同时使灰铸铁具有了优良的切削加工性能，随着灰铸铁力学性能的不

3、断提高，灰铸铁的组织形态发生很大的变化，其切削加工性能也受到了很大的影响。本文将对灰铸铁切削加工过程中的石墨变形规律进行分析，探讨影响灰铸铁切削加工过程中的主要影响因素，以此为开发高强度易切削加工的灰铸铁奠定基础。2 实验方案采用不同的变质处理方法，获得具有不同微观组织的灰铸铁，通过对灰铸铁基体组织的种类、特征以及石墨的形态、数量和尺寸的分析，结合实验灰铸铁力学性能的测定以及在车削加工和钻削加工过程中的切削抗力、刀具磨损等，考察灰铸铁的组织特征对其切削加工性能的影响机制。实验采用500kg 的工频熔炼炉熔炼铁液，铁液出炉温度1530，浇包内孕育及变质，充分搅拌后在树脂砂型中浇注各种性能测定用试

4、样。试样形状及尺寸为：力学性能测定试样30mm×300mm、车削加工性能测定试样60mm×420mm、钻削加工性能测定试样200mm×80mm×40mm。采用ARL4460光谱分析仪分析实验灰铸铁的化学组成，结果如表1所示。采用WDW-300型试验机测定实验灰铸铁的抗拉强度，采用HB-3000型布氏硬度试验机测定实验灰铸铁的硬度，采用奥林巴斯光学数码相机对灰铸铁的基体组织、石墨特征观察分析，采用扫描电镜（Model JSM-5310）对切屑的特征进行分析。车削加工性能测定采用CA6140车床、使用YG8硬质合金刀具进行，采用YDC-III8902型三向压

5、电车削测力仪测定车削加工过程中的抗力，车削加工条件为ap=0.2mm、f=0.091mm/r、Vc=60m/min，每车削加工3000mm 后利用激光显微镜观察刀具的磨损状态。采用YZD-1102型钻削测力仪测定钻削加工过程中的切削力和扭矩，钻头为高速钢材质、钻头直径10mm，钻削加工工艺为f = 0.045 mm/r、n = 450 r/min。每钻削加工深度为40mm 后利用激光显微镜观察刀具的磨损状态。表1 实验灰铸铁的化学组成3 实验结果3.1 实验灰铸铁的组织及力学性能 化 学 成 分 （wt. %）CSi Mn S P Cr Cu Mo 变质剂 A 3.33 1.9 0.48 0.

6、0750.0130.18 0.58 0.45%JF-1 B3.332.00.400.0770.0130.180.660.6%JF-1(a0.45wt%JF-1变质处理灰铸铁A (b0.6wt%JF-1变质处理灰铸铁B图1 实验灰铸铁的石墨组织图1为实验灰铸铁的石墨组织照片，可以发现两种实验灰铸铁的石墨都属于A 型石墨，两者之间没有明显的差异，但仔细观察发现实验灰铸铁B 中的石墨相对实验灰铸铁A 而言石墨更加细小、弯曲，而且石墨的数量相对较多。图2为实验灰铸铁的基体组织照片，两种实验灰铸铁的基体组织主要为珠光体组织，图3为珠光体组织的放大照片，可以发现，经过不同变质处理后，两种实验灰铸铁的基体组

7、织虽然同为珠光体，但珠光体的片间距存在一定的差异，随着变质剂加入量的增多，珠光体的片间距减小。表2 实验灰铸铁的力学性能表2为实验灰铸铁的抗拉强度和宏观硬度。实验灰铸铁的抗拉强度与其组织形态相对应，基体组织中珠光体的片间距越细小，则基体组织的强度越高；片状石墨的形态越弯曲、尺寸越细小，则对基体珠光体试样编号抗拉强度(MPa硬度（HB）A 305 201 B323 202(a0.45wt%JF-1变质处理灰铸铁A (b0.6wt%JF-1变质处理灰铸铁B图2 实验灰铸铁的基体组织 (a0.45wt%JF-1变质处理灰铸铁A (b0.6wt%JF-1变质处理灰铸铁B图3 实验灰铸铁的珠光体组织组织

8、的割裂作用越小，灰铸铁的抗拉强度也越高。两种实验灰铸铁的宏观硬度基本一致，这是因为两种实验灰铸铁同为珠光体基体，虽然珠光体的片间距有一定差异，但由于石墨的总量基本一致，而测定的宏观硬度是表征材料在宏观上抵抗塑性变形的能力，其中石墨的影响是很重要的。 3.2实验灰铸铁的车削加工性能表3为实验灰铸铁车削加工过程中的切削抗力。车削加工抗力的大小能够反映材料是否容易被车削加工，车削加工抗力越大，则材料越不容易被车削加工。从实验结果看，无论是主切削抗力Fx、还是进给抗力Fy、以及切深抗力Fz 的测定，实验灰铸铁B 的测定值均低于实验灰铸铁A 的测定值，反映出实验灰铸铁B 较实验灰铸铁A 更容易被车削加工

9、。表3 实验灰铸铁车削加工过程中的切削抗力试样编号主切削力Fx(N进给抗力Fy(N切深抗力Fz(NA 50.0 106.1 108.2 B46.681.7105.8 图4为车削加工两种实验灰铸铁车削加工距离为8648m 时车刀表面的磨损状态。可以看出，车削加工实验灰铸铁A 时，车刀的磨损程度明显重于车削加工实验灰铸铁B 时车刀的磨损程度。图5为车削加工两种实验灰铸铁车削加工距离与车刀磨损面积的关系，可以看出，在车削加工初期，车削加工两种实验灰铸铁时，车刀的磨损量增加都比较快，属于初期磨损，而当车削加工距离超过1350mm 后，车刀的磨损进入到正常磨损阶段，此阶段刀具的磨损量增加缓慢。当车削距离

10、超过8684mm 后，车削加工实验灰铸铁A 的车刀发生崩刀，无法继续进行车削加工，而车削加工实验灰铸铁B 的车刀仍然可以进行正常的车削加工。表明车削加工实验灰铸铁B 时车刀的磨损程度较小，在相同的车削加工条件下，实验灰铸铁B 的车削加工性能要好。(a0.45wt%JF-1变质处理灰铸铁A (b0.6wt%JF-1变质处理灰铸铁B图4 实验灰铸铁车削加工车刀的磨损图5 车削加工过程中车刀磨损面积024681012020004000600080001000012000 3.3实验灰铸铁的钻削加工性能钻削抗力是指轴向抗力，它引起钻头工件机床夹具系统的弹性变形，影响孔的加工质量，还影响机床进给机构强度

11、。扭矩是主运动方向阻力矩，它与主轴转速决定了钻削功率，过大的扭矩会使钻头扭断。可见，钻削加工过程中，钻削抗力与扭矩过大，都会使材料的钻削加工性能变差，使钻削加工的表面粗糙度增加，降低钻削加工的效率。表4为钻削加工两种实验灰铸铁时扭矩和钻削抗力的测定结果。同样可以看出，钻削加工实验灰铸铁B 时牛矩和钻削抗力均低于钻削加工实验灰铸铁A，表明在相同的钻削加工条件下，实验灰铸铁B 的钻削加工性能高于钻削加工实验灰铸铁A。表4 实验灰铸铁钻削加工过程中的扭矩和钻削抗力试样编号扭矩M（N.m）切削力Fz (NA 4.23 510.77 B3.5499.9钻削加工过程中，由于机械摩擦和热效应，钻头将逐渐地被

12、磨损。由于钻头上各切削刃的切削负荷不均匀，因此各部分的磨损也很不均匀，一般情况下，钻头的主切削刃、前刀面、后刀面、棱边和横刃都有磨损，但磨损最大的是处于切削速度与切削温度较高、而强度较弱的钻头外缘处，钻削灰铸铁时，以转角处磨损长度定为磨损标准。影响钻头磨损的因素很多，在钻头材质、热处理状态、钻头几何参数相同的条件下，主要决定于切削条件，即钻削加工孔的类型、孔的深度以及加工工件材质的组织和力学性能。本实验研究中，钻削加工两种实验灰铸铁的实验条件相同，因此，钻头的磨损程度只决定于钻削加工的灰铸铁材料本身，即钻削加工灰铸铁本身的组织、力学性质决定钻头的磨损程度。图6为钻削加工累计深度为1840mm

13、时钻头边缘的磨损程度，可以看出钻削加工实验灰铸铁A 时钻头边缘的磨损程度重于钻削加工实验灰铸铁B 时钻头的磨损程度。图7是钻削加工累计钻削深度与钻头边缘磨损距离的关系。随着钻削距离的增加，钻头边缘的磨损长度增加，钻削加工距离为210mm 之前，钻头的磨损增加比较明显，可以认为属于初期磨损阶段，之后，钻头的磨损进入到正常磨损阶段，钻头边缘的磨损长度与钻削加工距离呈稳定的增长。从图6中可以看出，在钻削加工相同距离条件下，钻削加工实验灰铸铁A 时钻头边缘的磨损长度始终高于钻削加工实验灰铸铁B，也即是表明钻削加工实验灰铸铁A 时，钻头更容易磨损，钻头的使用寿命低于钻削加工实验灰铸铁B 时钻头的使用寿命

14、。4 分析讨论一般来说，材料的力学性能越高，则材料的切削加工性能越差，高强度灰铸铁切削加工性能相对较差，这是一个不争的事实。但从本实验研究的结果看，实验灰铸铁B 的抗拉强度高出实验灰铸铁A 的抗拉强度，两种实验灰铸铁的宏观硬度基本一致，但从车削加工实验和钻削加工实验的对比，实验灰铸铁B 的车削加工性能和钻削加工性能都优于实验灰铸铁A 的车削加工性能和钻削加工性能，即实验灰铸铁B 虽然具有较高的力学性能，但其切削加工性能却高于力学性能相对较低的灰铸铁A 的切削加工性能。 (a0.45wt%JF-1变质处理灰铸铁A (b0.6wt%JF-1变质处理灰铸铁B图6 实验灰铸铁钻削加工钻头的磨损0501

15、0015020025030035001000200030004000 图7钻削加工过程中钻头边缘的磨损长度 图8 切屑形成过程示意图 图9 切削层金属的变形 图10 剪切区内金属剪切滑对比两种实验灰铸铁的微观组织知道，实验灰铸铁B 具有相对细小、弯曲的石墨，而其基体珠光体的片间距相对较小，这也正是灰铸铁B 的力学性能相对较高的原因。但实验灰铸铁的力学性能高，其切削加工性能也好的真正原因是什么却需要探讨分析的？4.1 灰铸铁中的石墨在切削加工过程中的变形规律如图8所示，切屑的形成过程是被切削层金属在刀具的挤压作用下产生塑性变形，主要是以剪切滑移的方式产生塑性变形而形成为切屑。完整的金属切削过程包

16、括三个变形区域，如图9所示。(区为剪切区，是产生变形的主要区域，直接与切削过程中的切削力及所消耗的功率有关。(区为刀-屑接触区，是前刀面与切屑产生摩擦的区域，此区域涉及摩擦、润滑和磨损问题，由(区的变形与(区的摩擦所产生的切削热直接影响刀具的磨损与耐用度。(区是刀具-工件接触区，涉及刀具的磨损、工件的尺寸精度及加工表面的粗糙度。在切削过程中，当切削层金属未达到剪切区之前，基本上只产生弹性变形。而当切削层金属进入剪切区后，则开始发生剪切变形，剪切变形是发生在剪切区内的剪切曲面上。如图10中P 点的剪切滑移过程，P点向切削刃逼近，到达位置1时，若通过1点的等剪应力曲线OA，其剪切力达到材料的屈服强

17、度，点1在向前移动的同时，也沿OA 面剪切滑移，其合成运动将使点1流动到点2，2-2就是其滑移量或剪切距离，随着剪切滑移线的产生，剪应力将逐渐增加，直到点4位置，其流动方向与前刀面平行，不再进行剪切滑移。切削层的金属即是通过剪切区后逐渐转变为切屑的。 图11为灰铸铁在切削过程中石墨组织的变形形态。在剪切区以外的区域石墨未发生任何变形，但在剪切区内随着越接近刀具，则石墨的变形程度越严重，而当切削层金属形成切屑的时候，石墨几乎与前刀面呈垂直状态。图12为本实验研究中切屑中石墨的形态。可见，由于剪切变形使灰铸铁组织中的石墨产生了方向性排列。4.2影响灰铸铁切削加工性能的因素分析由于剪切力的作用，灰铸

18、铁在切削加工过程中组织中的石墨产生了方向性的排列，由于石墨的强度几乎为零，它的变形是因基体组织的变形引起，同时对基体组织的变形没有抗力，而且它的存在使基体组织的变形变得更加容易。即是灰铸铁中石墨的数量越多，则剪切区的变形越容易进行，所消耗的能量也越低，从而降低切削加工过程中的切削抗力。对于相同体积分数的石墨组织，若石墨的尺寸越细小，则在相同的体积范围内石墨的数量就越多，则使基体组织的变形越容易。对于相同的珠光体基体而言，珠光体片间距越细小，珠光体的强度和硬度越高，则珠光体的变形变得困难。所以，灰铸铁切削层金属的变形决定于两方面因素：灰铸铁组织中石墨的数量和基体组织珠光体片间距的尺寸。石墨的数量越多越有利于变形，珠光体的片间距越大，也越有利于变形。本实验研究中采用不同的变质处理得到实验灰铸铁A 和B，虽然灰铸铁B 基体组