在加工难切削的蠕虫化铸铁材料时，采用CO2冷却策略可以达到非常好的效果

发动机制造业对蠕化铸件（GJV）的切削加工性能提出了非常高的要求。研究结果表明，采用PKD和纯CO2冷却技术，在加工难切削的GJV-450材料时，其生产效率要比切削硬金属材料高几个百分点。

汽车制造业通过缩小尺寸、提高喷嘴的燃烧压力，来达到减少有害气体排放和燃耗的目的。但是，它对未来新型发动机的构造材料，提出了越来越高的要求。从长远看，铸铁材料中的合金（即钛金属）含量将会加大，从而会对切割性能带来负面影响。此外，随着生产基地的全球化进展，金属材料的加工由于引用材料标准不同和材料成分不同而出现问题。对硬度、耐热性、柔韧性和热值有所要求的难切削材料的数量日益增加。因此，在汽车工业、航空航天业和模型/模具制造领域，要对这种现象给予特别的关注。

PKD最接近于“理想的”切割材料

针对上述的发展趋势和所出现的问题，要求采用一种能够适合于加工难切割原料并对合金含量波动不敏感的更强和更硬的切割材料。从图1中可以大体看出，聚合晶体金刚石（PKD）是最接近于“理想的”的切割材料并适用于对耐磨损类材料的加工。近年来，很多书刊及网络均大量介绍PKD在铸铁切割加工上的应用情况。最近的研究工作也披露了这种高强度切割材料在铸铁加工上的应用潜力。采用PKD对GJV进行切削加工，同时配以创新型的冷却技术，这构成了获得良好加工结果的基本条件。

图1  切割材料性能对比

与硬金属切割材料相比，这种PKD材料的优势在于其更高的硬度、更好的E模数、更强的导热性能和抗破断性能。在特定的边缘条件下，由此可以实现更长的使用寿命，从而也达到降低生产成本、提高切割速度和提高生产效率的目的。但是，PKD的一个比较大的缺点便是它对含铁材料具有较强的化学亲和性和金刚石的热不稳定性。较高的温度可导致金刚石材料的石墨化和热磨损，从而降低其耐磨损性能。

合适的冷却方法可以排除石墨化倾向

迄今为止，PKD还只在NE金属、纤维强化塑料（FVK）和木头以及岩石的切削加工上可实现良好的经济性。扩散和石墨化的不良影响惟有通过相应的冷却方法加以排除和消除。下列报告所示PTW机构在采取创新型冷却策略条件下，采用PKD对GJV进行切削的研究结果。

图2  GJV-450型试验材料的组织结构
a 蠕虫化石墨析出物呈不规则分布； b 组织结构中有94.5%由珍珠岩矩阵构成

切削研究采用外长车削方法，在一台CTX beta 800型DMG车削中心上进行，并对使用寿命进行试验。按照客户的需求，通过采用Hitec微型数字摄像头，对PKD转位刀片的主自由面和辅助自由面上的磨损量进行了测量和记录，作为寿命的评判依据。作为终止的标准值，所测得的最大自由面磨损为VBmax = 150μm。对表面粗糙度采用Mahr移动切割仪进行测定，所选定的GJV-450型试验材料的最小抗拉强度为Rm= 450MPa。其组织结构如图2所示。蠕虫化石墨析出物呈不规则分布（图2a）。组织结构中的94.5%由珍珠岩矩阵（图2b）构成，材料的硬度达到HB = 247。

采用大颗粒品种的PKD可实现较长使用寿命

以往试验结果表明，从GJV切削的刀具使用寿命T上看，应该优先选择大颗粒种类的PKD并结合采用锋锐型的刀片边缘。下列试验中所选用的PKD成分便符合所述的因果关系。

图3  实验结构a和车削流程示意图b

在试验过程中，过程冷却和润滑对刀片材料磨损状态的影响大小是至关重要的。切削试验采用了不同的冷却和冷却润滑策略进行。具体为：针对铸铁加工使用常规冷却润滑液，采用CO2雪剂和结合采用CO2雪剂与最低润滑量（MMS）以及液体量的变动。试验结构见图3。作为重要的工艺参数，对切削速度等级vc1= 210m/min、vc2=230m/min和vc3 =250m/min进行了试验，切削深度和进给量稳定维持在a=0.15mm和f=0.3mm水平。为了证实这些结果，采用各组参数进行反复多次的行程试验。

CO2雪剂冷却剂最有利于刀片的使用寿命

从寿命试验结果上，可以得出不同冷却剂策略对刀具进给和表面质量的影响（图4、5）。实际工作表明，使用CO2雪剂可以达到最佳的使用寿命。特别值得一提的是，测验在自由面平均磨损达到VBmax=150μm时终止。在vc=210m/min下采用CO2雪剂，从工艺流程上看是最安全的。

图4 服务寿命与冷却润滑策略以及切削速度的相互关系（终止极限VBmax=150μm）

结合采用CO2雪剂与MMS无法继续提高刀片的使用寿命，CO2雪剂中的润滑剂含量似乎与MMS剂量存在一定的关联性，它可以阻止切削区域的热传导。与纯粹CO2雪剂相比，后者导致刀具的使用寿命降低50%以上。试验表明，对常规冷却润滑液的选择显然没有达到令人满意的程度。这里最大只达到T=22min。PKD转位刀片的磨损水平明显优于其他策略的结果。不考虑冷却方式选择的影响，切削速度加大，则工作时间减少。从获得的表面质量方向看，各种冷却策略还是具有明显的差异性。图5为采用乳化液、CO2雪剂和CO2雪剂与MMS结合的冷却方法时，大颗粒品种的切削材料（50μm）的表面粗糙度系数Rz。从图中可以看出，采用CO2雪剂和切削速度达到230m/min和250m/min时可以获得最佳的表面粗糙度数值。采用乳化液冷却方法，Rz比CO2雪剂还提高27%。与纯CO2雪剂相比，表面粗糙度的改善无法通过添加MMS来获得。但是有迹象表明，在切削速度较高的情况下，随着MMS每小时流量的增加，表面质量会得到进一步改进。而这种切削速度却是处于GJV结合PKD的经济性切削所需的速度范围之外。

图5 表面粗糙度与冷却润滑策略及切削速度的关系

各热影响区厚度不同

粗糙度差异可以从所切削的试验材料的边缘区域分析中看出。研究结果显示出边缘区域具有不同厚度的热影响区。最大的热影响区是在结合采用CO2雪剂和MMS的情况下产生的，它由较薄的新硬化区构成，但硬化区逐步过渡到回火（调质）区域。与此相反，采用纯CO2雪剂冷却的切削作业的热影响区则较小。这里也存在着一个窄的新硬化区和过渡性调质区，其极限曲线更陡。乳化液冷却方式对边缘区域的影响使其影响区的厚度最低。与其他边缘区域相反，这种区域几乎只由新的纯硬化区构成，其调质区极薄，因此与其他材质构造的过渡非常陡。由于调质区域几乎不存在，因此边缘区域出现微型裂纹和层与层之间裂开的风险在增加。切削材料表面通过乳化液达到极快速的冷却，往往会导致材料表面脆化，因此也是造成表面粗糙度值较高的原因。在GJV-450材料上所作的切削试验清晰表明，采用PKD切削材料并配以传统及创新型的冷却润滑策略是一种最佳的途径。在所试验的切削速度范围内，不建议采用常规的冷却润滑乳化液。采用CO2雪剂是值得优先考虑的冷却策略。

较小的磨损量和较高的稳定性

尤其在所测试的较低切削速度下，切割材料显示出一种极低的线性磨损增长量和很高的工艺稳定性。通过采用CO2雪剂并结合MMS，并不能获得刀具使用寿命的延长。试验结果波动较大，工作时间无法预计，这些都表明工艺流程的稳定性较差。因此也不能肯定摩擦系数是否得到了有效的降低。振动——摩擦——磨损的模型化试验可以进一步得出主要功效机理。MMS流量的影响趋势也只是略显端倪而已。提高CO2雪剂和MMS结合水平，达不到纯CO2雪剂应用时的效果。尽管PKD切割材料的成本较高，但是对GJV-450采用PKD与CO2冷却方式的切削流程的观察表明，这种工艺比采用硬金属切割材料的切削作业生产效率更高。