如何加工“纯磨蚀”——粉末金属的加工

HEATS

加工粉末金属就像加工纯磨蚀。Gerlach Machine的主管Charles Gerlach这么认为。Gerlach Machine位于俄亥俄州的Hery大街，这是一个被玉米田地和精巧的农舍所包围的小城镇。Gerlach先生的车间自二十世纪80年代以来专门加工粉末金属零件。那些附近的玉米田地里的土壤有些类似于粉末金属，因为它是营养物质和有机原料的混合物，它们混合在一起为农民们希望获得丰收的农作物提供基础。按照这种思路，粉末金属零件就是微小的金属与合金元素（认为滑石粉很小）组成的混合物，当把它们压紧在一起并加热后，就形成了一个接近最终形状的元件。 2 k4 F7 N! o) i( h4 G8 o

     不幸的是，对于粉末金属制模工，二次加工操作通常需要将零件制成最终形状。在此阶段，粉末金属零件会具有明显的硬度等级，就切削性而言，这还不是很吓人（例如，30Rc）。但是，这些单独的粉末保持它们各自的硬度——可能是50Rc或者更高——即使在零件被模塑之后。切削这些材料的刀具将穿过非常小、非常硬的微粒来切削——实际上，它就是纯磨蚀。

4 B. u5 p6 }4 f% r

. O: }5 a2 S7 @, P0 v! }+ G

    结果导致过度的且常常不可预料的刀具磨损，例如刀刃毁坏。加工这种材料的成功或失败主要取决于切削刀具的选择和应用。

- c( ]/ p4 r q: d$ V( }

    为什么要用粉末金属？ 

    在最新的汽车设计中所应用的粉末金属零件的数量持续上升。实际上，这些零件目前正被应用于更多的引人注目的发动机和传动装置应用。虽然粉末金属零件已经成为汽车业的心爱之物，但是对于必须加工出最终成品的车间来说，它们依然是一个恶魔。

, I* k% [" X7 R: V6 N0 S" |$ C

    Gerlach Machine起初并未打算专门致力于粉末金属的加工。车间的中西部地区曾经不得不做大量的这类加工。许多当地的粉末金属制模工在25年前进入公司来加工一些不能由成型工艺制造出来的零件特征。这些早期零件中的许多都只需要镗孔操作以使内径达到容许公差或者攻丝操作，因为不能在模具中形成螺纹。

    在很多情况下，车间所加工的粉末金属零件的外径被模塑成最终形状。这就是为什么这些材料对于齿轮零件格外具有吸引力的原因，因为它不需要传统的滚削工序来形成齿轮齿。接着可以对模制齿进行感应淬火以增加其耐磨性，而中心部分保持柔软以减少在操作期间破裂的可能性。

    由于成型工艺的局限性，诸如螺纹等其他零件特征需要二次加工。尽管能够模塑出与模具的压缩轴相平行的孔，但是跨孔（与压缩轴相垂直的孔）和零件周围的凹槽则不能被模塑而成。零件壁能够被模塑得多薄也有限制。此外，可能需要机械加工以达到最新的汽车零件所需的更紧公差和更好的表面光洁度。

    有关刀具的考虑事项 

( `, F8 n6 Z1 ^

    大多数粉末金属零件需要车削和攻丝操作而不是铣削，这就是为什么Gerlach先生的车间里CNC车床比铣床多的原因。

7 ?/ x3 J, q# `0 z* i

    因为粉末金属零件接近最终形状，所以通常不需要强力粗切削。因此，合适的刀具与半精加工和精加工任务密切相关。对于车削操作，Gerlach先生主要使用Valenite公司（Madison Heights，密歇根州）提供的金属陶瓷刀片。这些刀片实际上没有卷边，以便提供非常锋利的刀刃和自由切削作用，Gerlach先生发现这些对于车削粉末金属零件颇为有效。

    在某些情况下，粉末金属零件在机械加工之前会通过热处理或感应淬火得以硬化。经感应淬火的零件可能需要经过精加工，因为加工面的质量曾发生了改变。对于这些淬硬的零件，车间更可能使用立方氮化硼（CBN）刀片，它们通常用于最坚硬的车削应用。这些CBN刀片具有最小的倒棱，因此它们的刀刃尽可能的锋利。

    对于攻丝，车间已经采用氮化钛涂层螺丝攻，并且它已经在过去20年里不用冷却液来加工螺纹了。它还设法使用一些配备有鼓风装置的机床进行铣削和干车削，鼓风装置更多地用于切屑控制而非保持刀具的刀刃冷却。无冷却液加工意味着切屑保持干燥，在加工后比较不容易粘附到零件上。但是更重要的是，干加工减少了加工后零件生锈的可能性。

% T$ Q4 h2 I$ [2 O. I

    生锈是粉末金属零件的固有问题，这是因为材料的多孔性和高铁含量。因此，车间不仅通常进行干加工，而且大部分零件在加工后立即浸入油槽中以防氧化。Gerlach先生指出，在某些情况下，铁锈似乎几乎在加工后立即出现。这可能意味着铁锈不知何故已经在成型工艺中出现了并且残留在模制零件内部。车间可以将一个预制的零件断成两半，检查零件中心内是否出现铁锈，以确定造型工艺中是否存在问题

# q# q$ B& G1 O: R) L7 X1 o

由于加工粉末金属容易产生在加工表面产生小
孔，多数零件需要立即浸入到油中以防止氧化。

( }) \! v$ W9 g" v7 I

    在某些情况下，车间在加工期间使用合成冷却液。一种情况是需要高压操作如抛光来增加关键特征的表面光洁度。另一种情况是看是否存在高材料切削率，这时大量热量会被转移到零件中。氮冷却液可能是另一种可行的选择，车间目前正在检查这些系统。

    注意偏置

- C; z1 `( P, }" K- h: o9 |

    Gerlach先生承认车间如何对新安装的刀具进行偏置没有什么奇特之处。操作员安装刀具，根据假设的切削深度稍微后退一点，加工零件，测量零件然后按照先前的切削与规定值相差的量向前调节刀具偏置。

7 R3 ]1 G- p! N! k( M, D2 S8 h

    但是，粉末金属零件的磨蚀特性意味着一旦这些新刀具安装好之后，就必须不断地监视并调节它们的偏置，以补偿刀具磨损。这就是为什么车间要在机床上对它切削的每个粉末金属零件进行百分之百检查的原因（这些零件中的大部分具有0.001英寸的总公差）。百分之百检查这一举措不仅有助于保证质量，而且因为当必须改变偏置或者必须更换刀具时，它会提醒车间。车间的Zeiss Eclipse CMM用于抽查那些无法在车间真实测量的关键特征（例如特征与特征的相对位置）。

4 w* M. E% Q# ~2 ^/ r

    对于它的某些机床，车间依靠它的机床操作员的经验来跟踪零件测量，并且在必要时向控制器输入合适的新偏置量以补偿刀具磨损。其他机床已做了修改以加速更新偏置的过程。

粉末金属零件更倾向车削操作，而不是铣削。
这些零件的外曲线表面是用金属陶瓷刀片车削的。

" _1 I: w* [) F9 v1 T0 ]$ J; r

    公司最新购买的CNC车床是两台Eurotech Famar Pronto 5反向立式卡盘车床。这些机床上已经装配了一套电子按钮，它们通过电线连接到Siemens Sinumerik 840D控制器上，使操作员甚至不用看控制屏只需一按就可以改变偏置。每个刀具有两个按钮——一个用于增加刀具偏置，另一个用来减少偏置。分配给每把刀具的每个＋或－按钮为每次按钮按压赋予一个特定的偏置值。这些增量非常小（通常是0.0002英寸）以减少操作员对刀具磨损补偿过度的的可能性。

$ Z$ J% u6 B3 O' y) b& _+ \3 ?

连接到该反转立式机床控制器上的按钮使操作员即使不看控制
屏也能改变刀具偏置。每按压一次按钮将使刀具偏置增加或减少预定的距离。

0 T; U8 M8 v/ Q; T! u: ]

    按钮偏置法节约了时间，它无需从机床的控制屏导航来输入偏置值。它还消除了操作员键入错误偏置值的可能性。最大偏置值存储在控制器内以防如果输入了很大的一个偏置值（按压按钮很多次）而导致碰撞现象发生。 

    车间在这些反向立式机床上执行最大量的工作。在这种方式下，它能够利用机床的独特性能来把它们的主轴用作它们的零件装载机，这样就消除了人工装载，大大提高了生产量。 

    二次加工 

! Q( N, K, o% M2 e6 E( p

    除了机械加工以外，粉末金属零件还需要额外的工序，例如珩磨、珠粒喷砂或磨削。车间内部具备陶瓷介质滚磨能力。很多粉末金属零件需要该操作来去除毛刺，由于材料的多孔性，毛刺是粉末金属零件的典型问题。去除动力传动系统零件上的毛刺尤为重要，因为如果有金属切削在它的液压系统中循环流动时，发动机或传动装置将不能运转很久。 

    行业变化 

    用于加工粉末金属零件的材料和生产过程在发生变化，粉末金属制模工开发出新的混合物，添加剂和加工工艺。加工该材料的工艺也可能将在今后继续变化。Gerlach先生注意到了一个趋势，即某些粉末金属制模工将二次加工工作拿回厂内。因此，车间每天都遇到新工作。这些工作不仅仅是粉末金属加工，它们还包括其他工作，例如加工铝铸件和挤压件。 

/ Y7 e8 C. [2 i R6 f8 N) o& q' @

    明智地加工 

6 h! K; [1 G/ j" F% P4 z

    Valenite的销售工程师Dennis Weaver已经关注了粉末金属行业在过去25年里的发展。在此，他针对切削这样的磨料提出了一些关于刀具和加工的通用要诀：

) |) f7 H9 M4 S2 x6 g

    （1）金属陶瓷、硬质合金和CBN是加工粉末金属的三项主要刀具选择对象。

. e8 |7 v& b8 t/ J* I' e

4 b. S6 i) }+ w% I4 D/ S2 _

大多数粉末金属零件需要某种形式的去毛刺。这里，链轮嵌入陶瓷介质中。

' {! k& z& A Y/ M

金属陶瓷可能是最经济实惠的选择，特别是当车间有多种相对小量的加工任务时，它尤其合适。对于非常大量的加工，更昂贵的CBN（成本几乎是金属陶瓷的10倍）是更好的选择，特别是如果工作需要紧公差和表面光洁度时。高零件硬度也要求使用CBN。就成本而言，硬质合金与金属陶瓷相当，它对于间歇切削能执行得更好。带有TiCN或TiAlN PVD涂层的硬质合金对于连续和间歇切削加工都能工作得很好，特别是在锋利刀刃很重要的应用场合下。 

1 M5 ~- S4 S9 n9 O# @7 v

    （2）某些车间使用典型的负倾角珩磨刀片取得了良好的结果。其他车间使用有助于尽量减小毛刺形成的正倾角锋利刀片从而取得了更好的成功。零件越软，锋利刀刃就越有利于预防毛刺。 

. t* r( [: m& {) j0 T; m

    （3）由于铁锈和材料的多孔性，只有当完全有必要的时候才使用冷却液。有这种必要的应用场合包括要求尺寸恒定性或者有非常高的表面光洁度要求。在执行会导致热量累积的粗切削时，也应该使用冷却液。 

# G* X6 A5 P! j( x* j1 o& x

    （4）虽然没有材料能与粉末金属作严格的同类比较，但是将它看成类似于球墨铸铁有助于处理粉末金属，因为两种材料都有磨损性。但是因为人们必须考虑到粉末金属的微小单个微粒具有比整个零件更高的硬度等级，所以应该在开始时采用更低的速度和进给量。