QTANi35Si5Cr2球铁排气歧管的铣平面加工工艺

随着汽车工业的迅速发展，发动机的性能不断提升，对排气歧管使用性能的要求也越来越高。耐高温、耐腐蚀且抗氧化性能好的高镍材料成为当前汽车排气歧管的首选材料。

在实际工况下，发动机排气歧管工作环境恶劣，处于循环交变的温度状态下，受热温度不均匀，需要排气歧管具有很好的高温力学性能和使用性能。高镍材料在高温下不易软化，且具有良好的性能表现，不仅具有优异的抗氧化性能，而且铸造成形性好，诸多优点使其成为当前汽车排气歧管的首选材料。

在我公司生产的排气岐管中，有相当一部分铸件材料为QTANi35Si5Cr2高镍奥氏体球墨铸铁（以下简称“QTANi35Si5Cr2球铁”）。QTANi35Si5Cr2球铁的加工不同于传统材料，它不会因为切削时的高温而发生软化，因此在切削刃上会形成很高的压力，易引起刀刃因碎裂或变形而损坏；它的强度高且导热性能差，在切削过程中形成高温，大大增加了切削难度。因此，QTANi35Si5Cr2球铁不能照搬传统的工艺进行加工。

加工难点分析

QTANi35Si5Cr2球铁的加工难点主要体现在以下几个方面：

1. 形状复杂，不易装夹

排气管属薄壁管状、不规则的畸形零件，主要加工工序是铣大凸缘面和钻大凸缘面上的各孔。装夹变形严重是其首要加工难点。

2. 切削力大，切削温度高

QTANi35Si5Cr2球铁强度高，切削时切向应力大，容易塑性变形，需要的切削力大，一般为球墨铸铁材料的2.5～3.5倍。此外，该材料导热性极差，切削温度约为球墨铸铁材料的3～4倍，切削温度不易散出且集中在刀尖，加速了刀具的磨损。

3. 加工硬化，容易粘刀

QTANi35Si5Cr2球铁加工后零件表面硬化现象十分严重，刀具在加工硬化区域内切削，其表面硬度为正常表面的2～3倍以上。此外，QTANi35Si5Cr2球铁还具有不锈钢材料的性能，如加工时切屑强韧、切削温度高，当强韧的切屑流经前刀面时，会产生粘结、熔焊等粘刀现象，影响工件的表面粗糙度。

4. 刀具磨损加快

高镍材料通常含高熔点元素，塑性大、切削温度高，刀具十分容易崩刃，加速刀具磨损，不能保证加工尺寸和精度要求。

此外，磨刀、换刀频繁直接影响了生产效率，增加刀具使用成本。

加工要点分析

显而易见，QTANi35Si5Cr2球铁排气歧管的加工工艺及相关刀具参数选择与普通结构的球墨铸铁材料有着较大的区别。因此，需要按照QTANi35Si5Cr2球铁的加工要求将机床和配置优化到最佳状态，选择适当的刀具并正确加以使用，才有可能获得令人满意的效果。发动机排气歧管是内外形状复杂的零件，薄壁易导致装夹变形，不规则形状则不易装夹牢固，需要使用大转矩强力切削设备和刀具。

在加工QTANi35Si5Cr2球铁时，存在着潜在影响稳定性的因素（如振动和非理想热环境等），如果设备刚性不足是无法长时间发挥刀具应有性能的。此外，由于零件结构较复杂，夹紧机构还要具有足够的刚性，并设置辅助支撑以确保有效夹持。振动会造成刀刃崩碎、刀片损坏并产生不可预见和不稳定的因素，因此，在设定机床切削参数时，始终要将提高稳定性、消除振动放在首位。另一种改进措施是采用多级夹紧和辅助支撑相结合的夹具，提高加工系统的工艺装备刚性也有助于抵消振动。

选用YG643M刀具材料铣削QTANi35Si5Cr2球铁，为这些铣刀配备专用刀片并选用正确的切削参数，通常能提高加工稳定性和总体性能。每齿进给量应按照切削系统刚性设定适宜值，这一点至关重要。由于QTANi35Si5Cr2球铁在高温下仍能保持其硬度和强度，因而切削刃会遭遇高作用力和应力，再加上切削区域产生的高热，就意味着很可能出现加工硬化，因此，选择最佳的切削刀具和切削用量是加工能否成功的关键。

刀具轴向和径向上的跳动精度也很重要，一般保证在0.015mm以下。如果未将刀片正确安装到铣刀盘中，则铣刀周围的切削刃会迅速损坏。在切削QTANi35Si5Cr2球铁时，其他一些因素，如刀具制造公差不良、磨损和刀具受损、刀柄精度或质量低、机床主轴锥孔和拉钉磨损以及夹具刚性不足等，也会在很大程度上影响刀具寿命。实践表明，在所有加工过程中出现不佳情况的案例中，70%都是由上述因素造成的。

大多数人喜欢选用正前角槽形刀具，虽然稍带负前角的槽形刀具能以更高的进刀量去除材料，并且每齿进给量可达0.4mm，但是这同时也意味着必须保持最佳稳定状态，即机床刚性好，具备强力切削，且工件装夹牢固稳定，因此应尽量使用75˚主偏角面铣刀，这样有助于获得总体稳定性和提高生产效率。在进行面铣时，用调整切削参数降低每齿进给量来克服振动是传统的解决方法，但方法并不合理，因为减少每齿进给量相应延长了切削时间，增加了刀具的磨损次数，且对刀具寿命和切削性能产生很大影响。可转位刀片需要一定量的切削刃倒圆，以增加切削刃强度，获得更好的涂层粘附力。在铣削QTANi35Si5Cr2球铁时，要求刀具至少以每齿0.1mm的进给量工作。此外，还可以降低主轴转速，满足最小的每齿进给量，以提高刀具寿命。如果仍有振动趋势，则考虑切削系统的工艺装备刚性是否满足要求。

铣平面加工工艺

QTANi35Si5Cr2球铁排气歧管的铣平面加工工艺如图所示，加工过程中应注意以下因素：

1.刀具材料的选择

加工QTANi35Si5Cr2球铁时切削力大、切削温度高，刀具材料应尽量选择强度高、导热性好的YG643M类硬质合金；精加工时也可选用正前角槽形YG643M类硬质合金刀片，提高表面加工质量。

2.刀具几何角度的选择

刀具几何角度对其切削性能有着重要影响。粗铣时，工件加工面是铸造毛坯，存在高低不平整的加工余量和一层铸造氧化皮，切削阻力大对刀具的耐用度影响很大，不要使用大前角的刀具，可选用YG643M类硬质合金刀具，一般前角取5˚～10˚。精加工时，加工余量均匀、切削阻力小，一般前角取10˚～20˚，有利于提高刀具寿命，主偏角选取75˚～90˚。如果主偏角小于75˚，加工的平面度不容易保证，后角大小直接影响刀具磨损，对刀刃强度也有极大影响，一般后角取5˚～12˚。

3.前刀面刃磨时，表面粗糙度值要小

为避免出现切屑粘刀现象，刀具的前、后刀面应保持具有较小的表面粗糙度值，从而减少切屑流出的阻力，避免切屑粘刀。

4.刀具刃口应保持锋利，以减少加工硬化

刀具进给量和背吃刀量不宜过小，以防止刀具在硬化层中切削；相反也不宜过大，由于工件刚性不足会引起振动，影响刀具使用寿命。

5.切削参数的选择

根据QTANi35Si5Cr2球铁的特点和不同型号工件的刚性以及加工表面质量的要求，加工时宜选用低速和较大进给量进行切削。通常，YG643M类硬质合金刀具铣削QTANi35Si5Cr2球铁时， vc取120～210m/min，每齿进给量0.1～0.4mm。在实际生产中，还需要根据加工不同型号工件的要求作适当调整。

6．切削液选择要合适

由于QTANi35Si5Cr2球铁具有易产生粘结和散热性差的特点，因此铣削时要选用抗粘结和散热性好的切削液，比如含氯较高的切削液或者水溶性切削液，采用喷雾冷却法效果最为显著，可提高铣刀耐用度一倍以上。

采用上述工艺方法，可以克服QTANi35Si5Cr2球铁的加工难点，提高铣削刀具寿命，减少换刀次数。在提高生产效率和加工表面质量、降低工人劳动强度和生产成本方面，都获得令人满意的效果。

钻孔加工工艺

在钻孔加工时，由于QTANi35Si5Cr2球铁导热性能差、弹性模量小，孔加工比较困难。解决此类材料的孔加工难题，主要是选用合适的刀具材料，确定合理的刀具几何参数及切削用量，钻削上述材料时应选择涂层碳氮化钛（TiCN）钻头。碳氮化钛涂层硬度高，表面润滑性好，是一种较理想的刀具涂层材料，具有更高的耐磨性，适合于难加工材料。但这种涂层钻头的缺点是价格比较昂贵，应用较少。使用常用的W18Cr4V普通标准高速钢钻头钻孔时，由于存在顶角较小、切屑太宽而不能及时排出孔外以及切削液不能及时冷却钻头等缺点，再加上QTANi35Si5Cr2球铁导热性差，造成集中在刀刃上的切削温度升高，容易导致2个后刀面和主刃烧伤及崩刃，降低钻头的使用寿命。

1．刀具几何参数设计

采用涂层碳氮化钛钻头钻孔时，切削力及切削温度均集中在钻尖上，为提高钻头切削部位的耐用度，可以适当增大顶角角度（一般选125?～135?），顶角增大也将使外缘前角减小，钻屑变窄，有利于排屑。但是加大顶角后，钻头的横刃变宽，造成切削阻力增大，因而必须对钻头横刃进行修磨，修磨后横刃的斜角为50˚～55˚，横刃前角为4˚～6˚。修磨横刃时，应将切削刃与圆柱面转角处修磨成圆角，以增加横刃强度。由于QTANi35Si5Cr2球铁材料弹性模量较小，切屑层下的金属弹性恢复大，如果加工过程中加工硬化严重，后角太小会加快钻头后刀面的磨损，而且提高了切削温度，降低了钻头的寿命。因此须适当加大后角，但后角太大，将使钻头的主刃变得单薄，减小了主刃的刚性，所以后角应以12˚～15˚为宜，使钻屑变窄，以利于排屑。

2．切削用量选择

钻削时，切削用量的选择应从降低切削温度的基本点出发，因为高速切削将会使切削温度升高，而高的切削温度又将加剧刀具磨损，因而切削用量中最重要的是选择切削速度。通常情况下，切削速度30～35m/min较为合适。进给量对刀具寿命影响较小，但进给量选择太小将会使刀具在硬化层内切削，加剧磨损；而进给量如果太大，又会使工件表面粗糙度变差。综合上述两个因素，进给量选择为0.25～0.40mm/r为宜。

3．切削液选择

钻削时，为降低切削温度，可采用具有良好冷却、清洗、防锈和润滑作用的不含矿物油和亚酸盐的水溶性切削液，并保证切削液流量，从而实现充分的冷却。

结语

在高镍材料排气歧管加工工艺的研究过程中，我们采用不同方案使用多种刀具材料进行了对比试验，总结出的上述工艺方案经实践证明是完全可行的。

由于工艺方案、切削参数、设备和刀具选择正确，在工件的切削过程中机床、夹具和刀具平稳可靠；加工中无振动，工艺装备系统刚性及强度完全满足工件的加工工艺要求；铣削轻快，切屑排出流畅，加工表面粗糙度和平面度以及其他精度均达到要求；产品质量稳定并提高了25%，生产效率提高了30%，完全达到预期的效果。此外，该方案对于材料相似的零件加工也具有较大的研究参考价值。