粉末冶金气门导杆孔和垫圈座切削特性分析

文 武， 王西彬， 王 营， 夏 青

（1. 中机生产力促进中心， 北京 100044； 2. 北京理工大学 机械与车辆工程学院， 北京 100081）

0 引言

粉末冶金（PM）[1-2]是将金属粉末与金属粉末或金属粉末与非金属粉末按需要的比例混合后在模腔中压制成型[3]，然后经过高温烧结[4-5]和精整[6-7]成为机械零件的工艺，是一种节材、高效、污染少、适合批量生产的少或无切削加工的制造工艺， 采用该工艺制造的零件有许多重要独特的优点， 特别是它的残余多孔结构使其具有良好的自润滑性和隔音性，使其在许多行业得到广泛应用，特别是用粉末冶金制成的发动机气门座圈具有良好的综合性能，能满足其耐磨损、耐腐蚀、抗冲击的要求。

某设备发动机气门导杆孔、 气门座圈材料为粉末冶金[8-10]，硬度为HRC39～43，密度≥7.2g/cm3，其金相组织在未浸蚀状态下为细小的微孔和灰色金属夹杂物， 浸蚀后为微孔+灰色金属夹杂物+较粗的马氏体+残余奥氏体+极少的未溶合金质点。 本实验针对某装备发动机缸盖气门导杆孔、垫圈座的加工存在刀具磨损快等问题，研究并解决特种粉末冶金材料切削技术难题[11]，分析切削过程中的切削力规律以及表面粗糙度规律，确定合适的刀具材料，为后期设计一种深孔加工复合刀具奠定基础。

1 实验方案

1.1 实验设备

机床：C620-3 卧式车床；

测力仪：三向压电晶体测力仪9257B。

切削刀具：金属陶瓷刀具刀片FD22 和硬质合金刀片YT726，所选刀具材料的主要性能指标见表1，工作角度见表2。

切削液：实验采用干切削形式。

切削用量及要求：进给量分别采用0.05mm/r，0.1mm/r，0.16mm/r，0.2mm/r，0.25mm/r；切削深度采用0.1mm，0.2mm；

表1 刀具材料的性能指标

表2 刀具工作角度指标

切削速度：每种切削条件下，YT726 和FD22 的切削速度为62m/min，75m/min，106m/min，125m/min，150m/min。

1.2 切削力测量系统的原理

测量方法是将刀具固定在测力仪上， 测力仪固定在车床工作台上，如图1 所示，系统所用的测力仪为三向压电晶体测力仪Kistler 9257B，电荷放大器为Kistler 5017B（性能参数见表3）。

图1 车削力测量系统原理图

表3 三向压电晶体测力仪和电荷放大器性能参数

本测量系统具有量程大、刚性好、灵敏度高、动态响应特性好、频率响应范围宽、线性度好、漂移量小、低通滤波性能好等优点，能够满足铣削力测量的要求。X、Y、Z 三个方向的切削力信号分别经高阻抗的导线输入到电荷放大器相应的通道中， 由电荷放大器把输入的信号进行放大，A/D 转换板把从电荷放大器输出的模拟信号转换为数字量信号。 切削过程中产生的力信号首先经过测力仪变成电荷量信号，又经过电荷放大器变成电压量信号，然后通过采样板在计算机控制下进行采样。 采样的频率和时间可以通过软件设定， 为了精确测量铣削力的动态变化，采用较高的采样频率即fs=20kHz，采样时间为2s。

2 实验结果

2.1 切削力实验

图2 切削条件为：切削速度vc=62m/min，在切削深度ap=0.1mm 和0.2mm 的情况下，改变进给量对主切削力的影响。 图3 切削条件为：切削深度ap=0.2mm，在进给量f=0.1mm 和0.2mm 的情况下， 改变切削速度对主切削力的影响。 在切削深度ap和进给量f 一定的情况下，主切削力Fz 随着切削速度vc的增大而减小。在切削速度vc 和切削深度ap一定的情况下， 主切削力Fz随着进给量f 的增大而增大。

图2 进给量对主切削力的影响

图3 切削速度对主切削力的影响

图4 切削速度对主切削力的影响

图5 进给量对主切削力的影响

2.2 表面粗糙度

图6 切削条件为： 切削深度ap=0.2mm， 在进给量f＝0.1mm 的情况下，改变切削速度对主切削力的影响。 图7切削条件为： 切削深度ap=0.2mm， 在切削速度vc=106m/min 的情况下，改变切削速度对主切削力的影响。

图6 切削速度对表面粗糙度的影响

图7 进给量对表面粗糙度的影响

图6、7 表明，在同等条件下，用陶瓷刀FD22 加工过的工件的表面粗糙度Ra 值比用硬质合金刀YT726 加工过的工件的表面粗糙度Ra 值小， 所以要想获得较小的粗糙度，应尽量选用陶瓷刀片。粗糙度的测量结果表明，进给量对加工表面的粗糙度影响比较大，进给量越大粗糙度值越高，而切削速度对表面粗糙度影响较小，金属陶瓷刀具加工的表面粗糙度明显低于YT 类硬质合金刀具，主要有两方面的原因： ①是因为金属陶瓷刀具采用负前角切削，对加工表面有较强的挤压作用，改变了粉末冶金材料本身的多孔性结构组织，使加工表面的粗糙度降低；②是因为金属陶瓷刀具与加工零件之间的摩擦系数较小，使切屑不容易在前刀面上形成滞流层，这也有利于减小表面粗糙度。

3 实验结论

通过以上的切削力实验和表面粗糙度实验， 可以得出以下结论： 在用金属陶瓷刀具刀片和硬质合金刀片切削加工某设备发动机气门座圈粉末冶金材料， 主切削力会随着进给量和切削深度的增大而增大， 而随着切削速度的增大而减小； 表面粗糙度值会随着进给量的增大而增大，而切削速度对表面粗糙度的影响较小；在同等加工条件下，陶瓷刀会比硬质合金刀受更小的切削力，获得更小的表面粗糙度。在气门座圈批量化生产过程中，刀片材料选陶瓷刀FD22。