低鉛鉍黃銅HBi59—1.5的切削行為

摘 要：Hbi59-1.5是寧波博威2003年后開發的一款無鉛環保銅原材料。所制成的產品可以滿足美國加利福利亞洲控制日常飲用水鉛含量之AB1953法案的要求。鉍幾乎不溶于銅，而在晶界（或相界）上析出形成彌散的質點達到易切削的目的，由于鉍的熔點很低，當切削溫度達到271.3oC時鉍會變成液態而影響產品表面質量和降低加工效率，這一點在鉛黃銅中是從來沒有過的，許多使用商在處理這一實際問題時，往往會走很多彎路或另選替用材料。該文認為只要控制三個因素就可以解決產品表面波紋和生產效率低下的問題：第一，通過擴散回火使半成品中Bi的分布更分散、更細化（未經高溫鍛造或焊接等工藝時不必增加此工序）；第二，車刀前角從零度加大到3o，加大排屑槽等；第三，加大冷卻液流量。

關鍵詞：無鉛環保銅 鉍的溶點 擴散回火 前角 冷卻液

中圖分類號：TG164 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（a）-0-02

衛浴廚房龍頭本體為了達到GB5749-2006生活飲用水衛生標準和耐腐蝕抗脫鋅性能要求，會選擇Hbi59-1.5中鉍低鉛黃銅作為套筒材料與彎管銀焊再經機加工，最終成為本體。附焊接后，車內孔后本體圖，如圖1所示。

1 問題的提出

在雙軸機上把內孔φ40.4立車至φ41.15+0.200，加工不到10件，就發現內孔A表面粗糙度用1.6對比塊比較有波紋痕跡，判定為不合格，而用粗糙度測量儀檢測卻屬合格，為了不至于引起客戶的歧意，不得不頻繁修磨刀，結果嚴重影響了產能（每人每天每臺機不足100件）。

2 現場加工條件分析

銀焊條采用TS-45Z，Ag：45% Cu：30%. 熔化溫度為660～740 ℃。

刀具采用YG6，前角零度，后角3 °，4個頭，切削速度1300 r/min（即168.4 m/min），背吃刀t=0.40 mm，進給量S=0.10 mm/轉，冷卻泵額定流量6 L/min（實際測量1.2 L/min）.車完內孔后的工件在檢測時發現燙手，預計溫度約45 ℃，臨時使用花生油浸涂在車刀頭部，車完工件后發現青煙四起，花生油燃煙點240～257 ℃燃點為309～320 ℃。

3 切削力、切削熱分析

根據《機械加工工藝人員手冊》（書號：15119.657.P736頁）在刀具材料YG6，主偏角ψ=90 °；工件材料為灰鑄鐵：HB190/HT200/σ=200 mP的條件下：Cpz=82 Cpy=27 Cpx=54，

Pz=Cpz*t*S0.75 Pz主切削力：作用在切削速度方向的分力.是切向力.

Py=Cpy*t0.9*S0.75 Py吃刀力：作用在吃刀方向上的分力.是徑向力.

Px=Cpx*t*S0.4 Px走刀力：作用在走刀方向的分力.本例為軸向力.

代入各參數值得：Pz=5.83（kgf）=57.15（N）

Py=2.10（kgf）=20.62（N）.

Px=8.599（kgf）=84.27（N）

根據R合力=，可求出灰鑄鐵的切削R合力=103.9（N）。

當工件材料為Hbi59-1.5時，在焊后σ=380 mpa的條件下，相對灰鑄鐵切削力對比系數K=380/200=1.9，實際切削合力為R=1.9×103.9=197.4（N）

根據切削熱與切削溫度理論，單位時間（即1 s）內的切削熱：Q=RV=197.4×2.8 m/s=552.7（J/s）=132（J/s）

（1卡=4.1868 J）

加工整個工件需要時間為20.7（s），在20.7 s時間內車下的銅屑有19.8 g，加工完整個工件產生的總熱量為：Q=20.7（s）×32（J/s）=2732.4（J）

通常情況下車削時，切屑傳熱50%～86%，工件傳熱3%～9%，刀具傳熱10%～40%.按50%切削熱由屑傳導，則19.8 g屑傳導熱量Q=2732.4×50%=1366.2 J.

設在1.2 L/min，冷卻液作用下，可帶走切屑中的3/5熱量，則余下（2/5）×1366.2=546.5卡將使19.8 g銅屑溫度平均升至T ℃，（當時環境溫度為20 ℃，黃銅比熱η=0.094 J/g.℃）

則有：

546.5=19.8（T-20）×0.094 T=313.6 ℃

這一溫度區域足可使屑中鉍（熔點為271.3 ℃）變成液態。按9%切削熱由工件傳導則：

Q工件=2732.4×9%=245.9 J，工件傳熱部分（套筒）重107 g（忽略了彎管的傳熱）設工件將升高溫度到t ℃則：245.9=107（t-20）×0.094， t=44.4 ℃

這一溫度與加工完后的工件燙手的事實相吻合.這也反映了1.2 L/min的皂化冷卻液，從刀具導入，只帶走了約3/5切屑和部分刀具的傳熱，已沒有能力再帶走工件的傳熱。

4 問題的界定與措施

工件加工后內孔A表面粗糙度1.6對比塊比較，所發現的波紋狀痕跡屬于切屑中Bi元素液態化過程中通過刀具粘附在內孔表面所致，鉍對刀具的粘連進一步增加了切削力，從而產生更多的切削熱，使切削環境快速惡化，導致每做10余件便需磨刀。基于這一判斷重新審核這一道工藝條件和參數，具體措施有以下幾點。

（1）對焊接后的工件進行擴散回火，回火溫度280 ℃±10 ℃保溫2 h，隨爐冷卻至室溫。以下附回火前，后工件金相圖：

比較圖1與圖2輕易可見回火后工件中Bi的分布更分散，更·細化。

（2）車刀前角從0 °改變到3 °減少切削熱的產生，其它切削參數不變。

（3）清理冷卻泵回路，將額定流量為22 L/min取代原來6 L/min的冷卻泵。

5 結語

在新的工藝條件，試做300件，內孔表面比先前產品更光亮，沒有出現比粗糙度1.6對照塊更嚴重的波紋痕跡，每班每人可穩定生產960件。當然，在實際操作中還需排除夾緊機構松動問題，也要保證車刀徑向跳動控制在0.02 mm的精度之內。