高鉻鑄鐵泵殼加工工藝

廣東省工商高級技工學(xué)校（樂昌 512200) 裴世峰 賓金祥

一、前言

2011年4月我校機加工組承接了一批高鉻鑄鐵泵殼的加工任務(wù)，材質(zhì)為高鉻鑄鐵。

高鉻鑄鐵的硬度高 (58～65HRC)，耐磨性好，有良好的抗腐蝕性和抗高溫性，抗拉強度650～850MPa，其中Cr含量高達11% ～36%，C含量高達2.0%～3.6%。被譽為當(dāng)代最優(yōu)良的抗腐蝕、抗磨損和抗高溫材料之一。

從對高鉻鑄鐵泵殼 (見圖1)的圖樣分析可知，要加工好高鉻鑄鐵泵殼，應(yīng)解決好兩個方面的工藝問題。一是由于工件外形的特殊性，需制作一套合理的并能滿足加工高鉻鑄鐵泵殼工藝要求的工裝夾具，以保證高鉻鑄鐵泵殼工件的各項尺寸和形狀精度的要求;二是高鉻鑄鐵材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，決定了高鉻鑄鐵泵殼屬于很難加工的材料范疇，要解決好它的機械加工難點，關(guān)鍵是要選擇能適應(yīng)于加工高鉻鑄鐵的車刀材料，合理選擇車刀的角度和切削用量，以達到有效地降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率的效果。在生產(chǎn)實踐中，經(jīng)過對高鉻鑄鐵泵殼圖樣的認真分析，本人制作了一套能夠保證高鉻鑄鐵泵殼各尺寸和形狀精度要求的工裝夾具，解決了高鉻鑄鐵泵殼裝夾的定位問題;同時在試車高鉻鑄鐵泵殼的過程中，認真分析、比對了相應(yīng)車刀的使用情況，最終選擇了適應(yīng)于加工高鉻鑄鐵泵殼的車刀材料，確定了車刀的角度，合理地選擇了切削用量，有效地降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

圖1 高鉻鑄鐵泵殼

二、高鉻鑄鐵泵殼的工藝分析

(1)高鉻鑄鐵泵殼外形較特殊，尺寸大、比較笨重，出砂口處最大回轉(zhuǎn)直徑為926mm，因此，選擇在CW6293車床上加工。

(2)由于高鉻鑄鐵泵殼外形的特殊性，泵殼回轉(zhuǎn)時不平衡，在單動卡盤上需裝上平衡塊，使高鉻鑄鐵泵殼回轉(zhuǎn)時得到平衡的穩(wěn)定性，以保證高鉻鑄鐵泵殼加工的正常進行。

(3)根據(jù)對高鉻鑄鐵泵殼的圖樣分析，要加工好它，應(yīng)采取兩次裝夾、一次校正、兩次加工完成，才能達到圖樣尺寸精度和形狀要求。其中第一次裝夾以高鉻鑄鐵泵殼泵腔孔口處為粗基準定位，校正泵殼，用單動卡盤的四爪反撐夾牢泵殼，并將泵殼吸砂口處加工至圖樣尺寸精度的要求;第二次裝夾以加工好的高鉻鑄鐵泵殼吸砂口處φ148mm的位置與心軸精基準定位，并以四塊帶斜面卡爪過渡墊塊配合單動卡盤的四爪夾持泵殼，用壓板將泵殼牢固地裝夾在單動卡盤上，然后將泵殼泵腔孔口處的內(nèi)外各尺寸加工至圖樣尺寸的要求。

(4)泵殼吸砂口處主要是用卡箍將泵殼與吸砂管夾緊聯(lián)接起來，只需加工泵殼吸砂口至φ148mm和 30°的圓錐角，圓錐角的大端為φ(204±0.15)mm，并控制長度等于70mm。泵殼的泵腔內(nèi)將葉輪安裝在泵軸軸頭上，泵腔孔口處主要是支撐帶有可更換的耐磨金屬內(nèi)襯 (包括護套、護板等)，并采用特殊的卡箍夾緊泵殼與泵蓋，泵殼的泵腔 (蝸殼狀)內(nèi)不需加工，只需加工泵腔孔口位置φ415mm，并以泵腔內(nèi)壁面控制泵腔深度為163mm，同時還需加工好安裝特殊卡箍夾緊泵殼與泵蓋的位置，尺寸為 φ490mm、φ454mm、寬為49mm和 (20±0.15)mm。

三、工藝方案的制定

依照分析，我們制訂了合理的車削高鉻鑄鐵泵殼工藝方案，以切實地保證高鉻鑄鐵泵殼的產(chǎn)品質(zhì)量，提高高鉻鑄鐵泵殼生產(chǎn)效率和降低高鉻鑄鐵泵殼加工的生產(chǎn)成本為目的。

(1)鉗 劃車削加工的校正線。泵殼的泵腔(蝸殼狀)內(nèi)不需加工，劃線時以泵腔為基準劃線。

(2)車 以泵腔孔口為粗基準定位 (見圖2)，并校正泵殼，用四爪反撐夾牢泵殼，車端面，保證吸砂口的長度為70mm，車圓錐30°、大端φ(204±0.15)mm、小端處R15mm，車孔φ148mm，并倒角。為了保證校正泵殼的順利進行，泵殼裝夾時，泵腔孔口端面不要與卡盤面貼得過緊，應(yīng)有一定的間隙量，避免校正時帶來困難?？爪?48mm，選作下道工序定位精基準，要注意保持尺寸精度。粗、精車分開進行。

圖2

圖3

四、高鉻鑄鐵泵殼的工裝夾具的制作與應(yīng)用

1.制作高鉻鑄鐵泵殼的工裝夾具的工藝分析

經(jīng)分析高鉻鑄鐵泵殼的圖樣可知，高鉻鑄鐵泵殼是以泵腔為基準設(shè)計的，泵殼泵腔孔口處內(nèi)外各尺寸的位置與泵殼吸砂口處內(nèi)外各尺寸的位置是在同一條軸線上，在加工的工藝過程中應(yīng)當(dāng)要保證它們之間的位置及同軸度的要求，由此，決定了高鉻鑄鐵泵殼需經(jīng)兩次裝夾、一次校正、兩次加工完成，來獲得圖樣尺寸精度和位置精度的要求。

由于泵殼吸砂口處外形是圓錐面，如果選擇泵殼吸砂口處圓錐面位置作為粗基準，并用單動卡盤與過渡墊塊配合夾持高鉻鑄鐵泵殼，因泵殼吸砂口處內(nèi)外各表面未經(jīng)加工，顯然會出現(xiàn)兩方面的問題。問題一:裝夾高鉻鑄鐵泵殼面的位置是未經(jīng)加工的圓錐毛坯面，在找正高鉻鑄鐵泵殼過程中，雖然找正了泵殼，但在用力裝夾的過程中，會造成高鉻鑄鐵泵殼產(chǎn)生位移，結(jié)果導(dǎo)致泵殼找正工作的失敗。問題二:裝夾高鉻鑄鐵泵殼面的位置是未經(jīng)加工的圓錐毛坯面，不可靠，造成高鉻鑄鐵泵殼裝夾不牢固，車削時易產(chǎn)生振動，難以保證泵殼加工過程中的位置不發(fā)生變化，最終導(dǎo)致泵殼的尺寸精度和位置精度達不到要求。為了避免上述問題的產(chǎn)生，在加工吸砂泵泵殼的工藝過程中，首先應(yīng)以泵腔孔口處為粗基準定位，校正泵殼，用四爪反撐夾持，并將泵殼吸砂口處按照圖樣尺寸精度要求加工好;然后調(diào)頭裝夾，以加工好的泵殼吸砂口φ148mm的孔口位置與心軸精基準定位，以四塊帶斜面卡爪過渡墊塊配合單動卡盤的四爪夾持泵殼，并用壓板將泵殼牢固地裝夾在四爪卡盤上，并將泵殼泵腔孔口處內(nèi)外的各尺寸加工至圖樣要求。

2.加工高鉻鑄鐵泵殼的工裝夾具的應(yīng)用方法

心軸定位與四爪裝夾高鉻鑄鐵泵殼的工裝圖(見圖4)。加工高鉻鑄鐵泵殼的工裝夾具的方法是將心軸安裝在單動卡盤上，用拉桿拉緊心軸，以加工好的泵殼吸砂口φ148mm的位置與心軸精基準定位，以4塊帶斜面卡爪過渡墊塊配合單動卡盤的四爪夾持泵殼，并用壓板將泵殼牢固地裝夾在單動卡盤上。這時即可按照圖樣尺寸的要求對泵殼泵腔孔口處內(nèi)外進行切削加工。心軸定位與四爪裝夾高鉻鑄鐵泵殼的工裝如圖5所示。

圖4 心軸定位與四爪裝夾高鉻鑄鐵泵殼的方法

五、加工高鉻鑄鐵泵殼車刀的選擇與切削用量的確定

高鉻鑄鐵泵殼，它的材質(zhì)作為一種優(yōu)良的耐磨材料，不僅抗磨能力優(yōu)良，而且還具備一定的沖擊韌性，這主要是由其特殊的金相組織決定的，然而也正是由于這種特殊的金相組織，這種材料又硬又脆，屬于“很難加工”的材料范疇，切削狀態(tài)極不平穩(wěn)，使得高鉻鑄鐵泵殼在切削加工過程中面臨刀具磨損嚴重、加工效率低下等一系列問題。高鉻鑄鐵泵殼的切削加工問題如果得不到很好的解決，勢必會限制其應(yīng)用范圍。對高鉻鑄鐵泵殼在切削加工過程中面臨的一系列問題，如何去解決高鉻鑄鐵泵殼的切削加工問題擺在我們面前。經(jīng)過分析，要解決高鉻鑄鐵泵殼的切削加工問題，關(guān)鍵是要選擇能適應(yīng)于加工高鉻鑄鐵泵殼的車刀材料、合理的車刀角度和合理切削用量，以達到有效地降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率的目的。

圖5 心軸定位與四爪裝夾高鉻鑄鐵泵殼的各組件

1.高鉻鑄鐵泵殼切削加工的特點

(1)高鉻鑄鐵是典型的硬脆材料，表面硬度很高。粗加工時，單位切削力比45鋼高很多，強烈的沖擊極易引起振動，加劇刀具的磨損。

(2)用高鉻鑄鐵制作的泵殼，結(jié)構(gòu)尺寸大，加工余量也大，對車刀的強度和工藝系統(tǒng)剛性要求較高。

(3)高鉻鑄鐵具有高硬度和較高的熱強度。特別是大件，切削時刀具連續(xù)工作時間長，刀具的溫度很高，容易出現(xiàn)刀體變形或焊接刀片開焊的現(xiàn)象而使車刀損壞。

(4)高鉻鑄鐵材料性質(zhì)硬而脆，當(dāng)?shù)毒咔腥牖蚯谐鰰r，出現(xiàn)崩邊現(xiàn)象，造成損壞車刀。

(5)高鉻鑄鐵泵殼毛坯表面加工余量不勻和氣孔、砂眼等鑄造缺陷使切削時沖擊較大，也容易損壞刀具。

(6)高鉻鑄鐵材料導(dǎo)熱系數(shù)低，在切削時切削熱不易傳散，而且易集中在刀尖處，容易損壞車刀。

(7)高鉻鑄鐵的切屑呈碎狀，且瞬時溫度很高，切屑顏色呈暗紅色，應(yīng)防止崩入眼內(nèi)，造成對操作者的傷害。

2.加工高鉻鑄鐵泵殼車刀的選擇

根據(jù)高鉻鑄鐵切削加工的特點，對車刀材料的選擇要求應(yīng)具有較高紅硬性、耐沖擊、耐磨性好、抗彎強度高、導(dǎo)熱系數(shù)大。而金屬陶瓷車刀的主要成分是氧化鋁 (Al2O3)，它的硬度很高，可達91～93HRA，紅硬性很好，能耐1100℃ ～1200℃的高溫，抗拉強度為650～850MPa。因此，根據(jù)金屬陶瓷車刀的性能，它適用于高鉻鑄鐵泵殼的切削加工。

在加工高鉻鑄鐵泵殼的過程中，經(jīng)試驗表明，選用YT15硬質(zhì)合金車刀加工高鉻鑄鐵泵殼，車刀磨損極快，崩刃現(xiàn)象嚴重，切削速度和車刀使用壽命較低，表面粗糙度值較大，切削成本較高，生產(chǎn)效率得不到提高。而使用AG2金屬陶瓷車刀加工高鉻鑄鐵泵殼 (粗、精車)，切削速度較高，獲得的粗糙度值較小，車刀的使用壽命較長，較大地提高了生產(chǎn)效率。通過對加工高鉻鑄鐵泵殼的AG2金屬陶瓷車刀與YT15硬質(zhì)合金車刀的使用效果比對 (見表1)，AG2金屬陶瓷車刀的使用優(yōu)勢大于YT15硬質(zhì)合金車刀的使用優(yōu)勢。因此，AG2金屬陶瓷車刀適用于高鉻鑄鐵泵殼的切削加工。

表1 加工高鉻鑄鐵泵殼車刀AG2與車刀YT15的效果比對

當(dāng)然，金屬陶瓷車刀也存在著缺陷，抗沖擊能力較弱，對于切削高鉻鑄鐵，這種又硬又脆的材料更容易受到?jīng)_擊，引起崩刃等車刀的破壞。如何避免金屬陶瓷車刀的破壞，有效途徑只有優(yōu)化合理選擇車刀的角度和正確地選用切削用量，才能控制金屬陶瓷車刀發(fā)生沖擊崩刃的破壞。在生產(chǎn)加工過程中，經(jīng)過優(yōu)化車刀角度，正確合理地選用了切削用量，較大地減少了金屬陶瓷車刀發(fā)生沖擊崩刃破壞現(xiàn)象的發(fā)生，延長了刀具壽命、降低了加工成本。因此，金屬陶瓷車刀也適用于高鉻鑄鐵泵殼的切削加工。

3.AG2金屬陶瓷車刀幾何角度的選擇

根據(jù)高鉻鑄鐵材料的性能和它的切削加工的特點，車刀的幾何角度選擇如下:

(1)前角 高鉻鑄鐵的硬度、強度都很高，這樣對刃口的要求需有足夠的強度，在切削過程中影響較大的是前角，為了提高刃口的強度和耐用度，前角應(yīng)選擇負前角γo=-7°～-10°。同時在刃口處磨出倒棱寬度br1=0.15～0.2mm和倒棱前角γo1=-15°的負倒棱。

(2)后角 取較大的后角αo能減小車刀后刀面的磨損，有利于車刀壽命的提高。但是高鉻鑄鐵的硬度和強度都很高，如果后角過大，會使楔角減小，切削過程中容易出現(xiàn)崩刃的現(xiàn)象，因此，后角不宜太大，選擇 αo=6°～12°。

(3)主偏角 切削高鉻鑄鐵時，單位切削力大，切削溫度高。為了減小單位切削刃上的負荷，改善散熱條件，減少崩刃，提高車刀的壽命，宜選用較小的主偏角，一般取κr≤45°。

(4)副偏角 副偏角的大小主要決定于工件表面粗糙度值要求的高低，半精車取大值，而精車取小值，=6°～13°。

(5)刃傾角 刃傾角取負值可使刀尖部分強度提高，但是取較大的負值會使徑向力增大，引起振動。一般取λs=0°～-5°，半精車取大值，精車時取0°。特別要注意的是，切削高鉻鑄鐵時會有沖擊，因此，刃傾角應(yīng)取λs=-5°～-10°。

(6)刀尖圓弧半徑 加大刀尖圓弧半徑可提高刀尖散熱能力和提高工件表面質(zhì)量，并使刀尖部分強度增加。但是刀尖圓弧半徑過大會引起加工件振動，降低工件表面質(zhì)量。一般取rε=1～2mm。車削高鉻鑄鐵泵殼其中使用過的主偏角為45°的AG2金屬陶瓷車刀 (見圖6)。車削高鉻鑄鐵泵殼主偏角為45°的AG2金屬陶瓷車刀幾何參數(shù) (見表2)。

圖6 車削高鉻鑄鐵泵殼AG2金屬陶瓷車刀

表2 車削高鉻鑄鐵泵殼AG2金屬陶瓷車刀幾何參數(shù)

4.AG2金屬陶瓷車刀切削用量選擇

車削高鉻鑄鐵泵殼的切削用量，主要根據(jù)高鉻鑄鐵泵殼的硬度來選擇，在選擇切削用量時，必須考慮切削用量對刀具壽命的影響。根據(jù)不同的切削對象和車刀材料、切削速度、進給量和切削深度應(yīng)進行合理組合，以滿足切削加工高鉻鑄鐵泵殼的工藝要求。

以AG2金屬陶瓷車刀為例，運用AG2陶瓷車刀切削加工高鉻鑄鐵泵殼的過程中，吃刀量不能過大，應(yīng)取較小的進給量和盡可能高的切削速度。切削加工高鉻鑄鐵泵殼AG2陶瓷車刀切削用量的選擇如表3所示。

表3 AG2金屬陶瓷車刀切削用量的選擇

六、夾具制作、運用與車刀的選用取得的成績和效果

1.夾具方面

(1)鐵泵殼的工裝夾具以心軸精基準定位，不需校正泵殼，泵殼定位準確無誤，準確率較高。

(2)工裝夾具，夾持工件穩(wěn)定、牢固，解決了車床裝夾泵殼的特殊困難，保證了在加工的過程中泵殼不發(fā)生位移和不產(chǎn)生振動。

(3)工裝夾具制作簡單、廉價和容易操作，滿足了高鉻鑄鐵泵殼的加工工藝要求，保證了泵殼各尺寸以及形狀的精度要求。

2.車刀方面

(1)切削速度高。用YT15硬質(zhì)合金刀具車削高鉻鑄鐵泵殼，vc=20～50m/min;而用AG2金屬陶瓷車刀車削高鉻鑄鐵泵殼，粗車vc=70～90m/min、精車 vc=100～120m/min。

(2)使用壽命長。用YT15硬質(zhì)合金車削高鉻鑄鐵泵殼，vc=20m/min，后刀面磨損了0.8mm左右;而用AG2陶瓷刀具以80m/min的切削速度，后刀面磨損0.15mm左右。

(3)加工精度和表面質(zhì)量好。當(dāng)vc=20m/min、ap=0.3mm、f=0.15mm/r時，圓度誤差高達0.5mm，表面粗糙度值Ra=12.5μm;而使用了AG2金屬陶瓷車刀車削高鉻鑄鐵泵殼刀具車削，切削速度提高了，圓度誤差很小，表面粗糙度值Ra=1.6μm。

綜上所述:高鉻鑄鐵泵殼工裝夾具的運用，滿足了車削加工高鉻鑄鐵泵殼的工藝工裝要求;AG2金屬陶瓷車刀與YT15硬質(zhì)合金車刀車削高鉻鑄鐵泵殼相比，保證了泵殼的尺寸和形狀精度的要求;加工高鉻鑄鐵泵殼的效率提高了4倍，降低了生產(chǎn)成本，圓滿完成了一批高鉻鑄鐵泵殼的車削加工任務(wù)，得到了校企合作單位的肯定和同行們的好評。