Question

如何加工冷硬铸铁

Answer 1

在金属切削加工中，经常需确定一些参数(如：刀具几何参数，切削用量等)，一般地，这些参数可根据经验或查手册获得，但遇到一些疑难工件的加工时，就需要通过实验来确定，为减少实验次数，常用一定的优化方法，我校工厂就接到一批冷硬铸铁工件的加工任务，时间紧任务重，我们采用0.618优选法对其加工过程进行优化，取得了满意的效果
1 0.618优选法简介

0.618法是一种单因素实验优化法。可用一种带有刻度的纸条来表示所需优化的参数范围，设优化的是车刀主偏角，范围为10°～80°，如图1(a)。

首先在纸条总长度的0.618处划上一条线，这条线所指的刻度(53.26°)，就是第一次所选出的刀具角度(如图1(a))。然后把纸条对折，在与53.26°对称的地方再划一条线(此处为36.74°)，这就是第二次所选的角度，如图1(b)。按两个角度分别进行实验，如果53.26°处比较好，则把36.74左边的纸条剪掉，如图(c)；反之，则把53.26°处右边的纸条剪掉。再把纸条对折，在53.26°对称的地方，又可划出一条线，此处是63.48°，这就是第三次所选出的角度，如图1(d)。在63.48°处实验后，和53.26°处比较，如果仍然是53.26°处比较好，则把63.48°右边的纸条剪掉如图1(e)；反之，则把53.26°处左边的纸条剪掉。

图1 0.618法优化过程

留下的部分按同样方法继续做下去，取已试点的对称点进行实验，比较和取舍，留下好点，去掉“坏点”以外的部分。注意每次留下纸条的长度等于上次长度的0.618倍。就这样，实验比较，再实验再比较，一次比一次更接近合适的角度。应用此法，每次可排除试验范围的38.2%，可大大减少试验次数，迅速找到最佳点。

各次试验点也可按下式计算：

第一试验点：A1=(大1-小1)*0.618+小1
第二试验点：A2=大2+小2-上次好点值
……
第i试验点：Ai=大i+小i-上次好点值

用以上公式计算的结果都是小数。为了方便，对角度可采取四舍五入的方法(在实际生产中，刀具的角度大都取整数)。

2冷硬铸铁辊加工的优化

使用设备C1660车床
加工零件φ730×4180mm冷硬铸铁辊(毛重14t，净重9t)，如图2。

图2 冷硬铸铁辊零件简图

刀片材料YG8硬质合金
刀杆材料45钢

优选前：

切削速度v=6.8m/min，进给量f=0.5～1.2mm/r，切削深度ap=1～1.5mm，刀具主偏角K=75°，前角γ=5°，刃倾角λ=0°，如图3(a)。

图3 优化前后车刀的几何参数

按上述参数加工时，由于冷硬铸铁辊毛坯表面有深度＞25mm的冷硬层，冷硬层的硬度很高，很难加工(仅辊身加工一刀就需4个班)，刀具磨损快(十几分钟就需磨一次刀)，生产效率低，并且精度差。其主要原因是刀具主偏角太大，刀尖薄弱；切削用量不合适，因此改用宽刃刀，刃宽为15mm，并且对车刀的主偏角K和切削用量进行优化。

1) 优选过程：

刀具主偏角优化。因刀具主偏角不宜过大，所以确定优化范围为0°～45°，经过实验比较，第④点好，主偏角K=23°。如图4。

图4主偏角优化过程

2) 主偏角优化后，刀具耐用度有所提高，但由于刀刃与工件接触宽度较大，加工时出现振动现象，为改变此状态，需对刃倾角进行优化，为了不至于过分削弱刀尖，刃倾角也不可能很大，优选范围定为0°～15°，如图5。

图5 刃倾角优化过程

经实验比较，第④点好，故刃倾角λ=8°。

3) 为了提高生产效率，固定刀具角度，优化切削用量：

·优选主轴转速n，考虑工件直径较大，优选范围定为：1～13r/min，如图6。

图6 主轴转速优化过程

经过实验比较，第④点较好，故n=6r/min。

·优选进给量f，考虑到采用宽刀加工(已采取防振措施)，背吃刀量相对较小，可采用较大的进给量，定优化范围为0～15mm，如图7。

图7 进给量优化过程

表1 优选前后参数对照表
&bnsp; 主轴转速
(r/min) 进给量
(mm/r) 主偏角
(°) 前角
(°) 刃倾角
(°) 刀片材料 粗糙度
Ra 耐用度
(min)
优选前 3 0.5～1.2 75 5 0 YG8 25 12
优选后 6 5 23 8 8 YG6X 12.5～6.3 120

结论

优选后，刀具(如图3(b))的主偏角减小并采用宽刃刀，相应地增大了刀尖强度和热容量；磨出8°刃倾角，避免了加工中的振动；同时增大车刀前角，可减少机床动力消耗，使切削轻快，这些均有利于提高切削用量。优选前辊身部分加工需要96小时，优选后只需4个多小时，提高工效19倍，刀具耐用度提高9倍。 (end)

Answer 2

1．冷硬铸铁和耐磨合金铸铁有哪些特点？

冷硬铸铁和耐磨合金铸铁是生产中常用的耐磨材料。冷硬铸铁也称激冷铸铁，它是在铸型中放置冷铁，以加快铸件的冷却速度而得到的。冷硬铸铁的典型化学成分为：C含量3％～3.5％，Si含量0.5％～0.7％，Mn含量0.5 ％～0.7％，P含量<0.4％，S含量<0.07％。冷硬铸铁的特点是表面部分发生白口化，硬度和耐磨性大大提高，内部仍保持灰口组织，以防整体脆化。激冷表层硬度达HRC60左右，压延机轧辊就是一例。

激冷镍铬铸铁也属此例。激冷镍铬铸铁Ni含量为4％，Cr含量为1.1％，Ni使珠光体与石墨细化，增加了铸铁的强度与耐磨性。加入Ni还能提高热强性。激冷镍铬铸铁的硬度可达HRC60，常用来制造轧辊。

高铬铸铁是高温耐磨铸铁，其典型成分为：Cr含量22％～25％，Si含量1.2％，Mn含量0.3％～0.75％。Cr的加入可提高铸铁的耐磨性，因为Cr能在铸件表面形成致密的保护膜Cr2O3。Cr的加入也生成碳化物，提高了铸铁的硬度与强度。高铬铸铁可用来制造在800℃以上高温下工作的耐磨件。

钻探中用的泥浆泵，是用耐磨合金铸铁Crl5Mo3制造的，其硬度达HRC62，是目前最难切削加工的金属材料之一。

2．冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的切削加工特点有哪些？

(1)冷硬铸铁和耐磨合金铸铁是典型的硬脆材料，表面硬度很高。粗加工时，单位切削力达3 000 MPa，强烈的冲击极易引起振动，加剧刀具的磨损。

(2)冷硬铸铁常被用来制作各种轧辊，结构尺寸大，加工余量也大，车削时要采用较大的切削深度和进给量，对刀具的强度和工艺系统刚性要求较高。

(3)冷硬铸铁和耐磨合金铸铁具有高硬度和较高的热强度。特别是大件，切削时刀具连续工作时间长，刀具的温度很高，容易出现刀体变形或焊接刀片开焊的现象而使刀具损坏。

(4)冷硬铸铁表层组织为白口，性质硬而脆，当刀具切入或切出时，容易出现崩边现象，造成废品或损坏刀具。

(5)毛坯表面加工余量不匀和气孔、砂眼等铸造缺陷使切削时冲击较大，也容易损坏刀具。

(6)冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的切屑呈碎状，且瞬时温度很高，应防止崩入眼内或内衣中，造成对操作者的身体伤害。

耐磨合金铸铁

3．切削冷硬铸铁和耐磨合金铸铁选择什么刀具材料？

根据冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的切削加工特点，要求刀具材料红硬性高、耐冲击、耐磨性好、抗弯强度高、导热系数大。可选用含TaC或NbC的K类新牌号硬质合金，如600、610，643、643M、726，YS2，YM0511 YM052、YM053等，切削效率和刀具耐用度比使用YG3、YG6、YG6A等高得多(见表6-1)，也可选用陶瓷刀具材料。

4．切削加工冷硬铸铁和耐磨合金铸铁怎样选择刀具几何参数？

冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的硬度、强度都很高，切削时多是粗加工的断续切削，要求刃口有足够的强度，应选择负前角和较小的后角。且不同刀具材料应选择不同的合理前角、后角值。例如，YW1取γ0=-5。～0。，α0=5。～10。；643取γ0=-5。，α0=10。～15。；PCBN取γ0=-10。～0。，α0=6。～8。；陶瓷刀片取γ0=-15。～-5。，α0=6。～10。。

切削冷硬铸铁和耐磨合金铸铁时，单位切削力大，切削温度高。为了减小单位切削刃上的负荷，改善散热条件，减少崩刃，提高刀具耐用度，宜选用较小的主偏角和负刃倾角。一般κr≤45。，硬质合金刀片λs≤-6。；陶瓷刀片λs=-10。～-5。。刀尖圆弧半径可大些，γε≥1.0 mm。机床刚性较差或精加工时，也可适当加大主偏角，减小刀尖圆弧半径。对于陶瓷刀片和PCBN刀片，刃口应有负倒棱，γ01=-30。～-20~，bγ=0.2～0.3 mm。

5．切削加工冷硬铸铁和耐磨合金铸铁怎样选择切削用量？

根据冷硬铸铁和耐磨合金铸铁的切削加工性能，在选择切削用量时，必须考虑切削用量对刀具耐用度的影响。根据不同的切削对象和刀具材料，切削速度、进给量和切削深度应进行合理组合。

采用硬质合金刀具时，应选用较低的切削速度，适当加大切削深度并尽可能减少走刀次数，以提高刀具耐用度。粗车时Vc=8～12 m/min，αp=5～10 mm，f=0.5～1.0 mm/r；半精车时，Vc=15～20 m/min，αp =0.5～2 mm，f=0.1～0.3 mm/r。

采用陶瓷刀片应取较小的进给量和尽可能高的切削速度，一般Vc=40～60 m/min，αp =0.5～2 mm，f=0.3～0.6 mm/r。

采用PCBN刀片时，切削速度可以提高到70～80 m/min，αp =0.5～2 mm，f=0.1～0.3 mm/r。

6．用氮化硅陶瓷刀具车削冷硬铸铁有哪些优点？

氮化硅陶瓷具有高硬度(HRA94)、高强度(抗弯强度为1050～1450 MPa)、良好的自润滑性能、低摩擦系数及抗粘接性能。使用氮化硅陶瓷刀具车削冷硬合金铸铁有以下优点：

(1)切削速度高：冷硬合金铸铁的硬度为HRC50～52(HS67～70)，用YG8硬质合金刀具车削，切削速度为5 m/min左右。而用氮化硅陶瓷刀具时切削速度则是25～35 m/min，为硬质合金刀具的5～7倍。又如，用硬质合金刀具车削冷硬铸铁轧辊(HS71～73)，切削速度为6.8 m/min，而用氮化硅陶瓷刀具时切削速度为23 m/min。

(2)耐用度高：用YG8硬质合金车削冷硬合金铸铁(Vc=5.3 m/min)，当后刀面磨损0.8 mm时，切削路程为360 m；而用氮化硅陶瓷刀具以28 m/min的切削速度，后刀面磨损0.8 mm时的切削路程为2560 m；再将切削速度提高到34 m/min时，在相同的后刀面磨损情况下，切削路程则是2340 m。可见，在相同的磨损情况下，从切削路程来看，氮化硅陶瓷刀具的耐用度为硬质合金的6～7倍。用氮化硅混合陶瓷F85车冷硬合金铸铁轧辊的刀具耐用度是YG3、YG6硬质合金的5～16倍。

7．用立方氮化硼刀具切削冷硬铸铁有哪些显著效果？

立方氮化硼(CBN)刀具，由于硬度、耐磨性和耐热性高于硬质合金和陶瓷等刀具材料，可以使用较高的切削速度切削硬度高(HS58～68)的冷硬铸铁，其切削效果明显高于使用其他刀具材料。

(1)切削速度高：用DLS—F立方氮化硼复合片切削球墨冷硬铸铁，可以使用较高的切削速度。刀具几何参数为γ0=-3。，α0=8。，κr=84。，λs=0。，γε=0.6 mm，γ01=6。，bγ=0.3 mm。当Vc=60 m/min，αp =0.3 mm，f=0.22 mm/r时，切削160 min后，后刀面只磨损了0.16 mm。而使用YG6X硬质合金刀具的切削速度只有6.6 m/min，仅为立方氮化硼刀具的1/9。

(2)耐用度高：用德国比尔斯公司生产的立方氮化硼圆刀片，以Vc=40 m/min、f=0.16 mm/r的切削用量加工HRC55的冷硬铸铁，刀具耐用度为500 min，而用陶瓷刀具加工时刀具耐用度只有5 min。立方氮化硼刀具的耐用度是陶瓷刀具的100倍。

(3)加工精度和表面质量好：用硬质合金刀具车削HRC50的表面喷涂冷硬铸铁轧辊，当Vc=20 m/min、αp =0.3 mm、f=0.22 mm/r时，圆度误差高达0.5 mm，表面粗糙度Ra为12.5μm；而使用立方氮化硼刀具车削，切削速度提高了，圆度误差很小，表面粗糙度Ra小于0.8μm。

(4)金属切除率高：用立方氮化硼刀具切削冷硬铸铁轧辊，可以获得极高的金属切除率。例如，当Vc=6l m/min、αp =/mm、f=0.94 mm/r时，金属切除率达400 cm3/min，刀具几乎没有磨损。

(5)可以代替磨削：ASH离心式泥浆泵是用极耐磨的镍铬白口铁制造的。这种材料极难切削，以前认为只能用磨削加工，但磨削时的高温会使工件产生热裂纹。现在可以采用立方氮化硼复合片以车代磨。这种刀具抗弯强度高，经得起冲击载荷。采用PCBN圆形刀片，粗车时，Vc=55 m/min，αp =3 mm，f=0.25 mm/r；精车时，f=0.2 mm，表面粗糙度Ra为0.8μm。

此外，还可以铣代磨加工镍铬白口铁，也采用圆形带倒棱的PCBN复合片做成铣刀，以Vc=175～225 m/min、αf =0.1～0.25 mm/z、αp =0.5～2.5 mm的用量进行铣削，表面粗糙度Ra可达2～2.5μm。