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      我國發(fā)動機(jī)缸體缸蓋高速銑削技術(shù)與刀具現(xiàn)狀

      傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋銑削加工大量采用專機(jī)生產(chǎn)線，生產(chǎn)效率低下、生產(chǎn)節(jié)拍慢、生產(chǎn)成本高。如今，隨著新設(shè)備、新工藝的不斷采用，發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋的銑削加工逐漸采用數(shù)控高速加工中心以替代這些傳統(tǒng)的專機(jī)生產(chǎn)線，向著高速銑削的方向發(fā)展，許多加工中心機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)數(shù)萬轉(zhuǎn)。

      隨著數(shù)控設(shè)備與高速銑削工藝的推廣應(yīng)用，刀具材料也發(fā)生了巨大變化。近年來，在發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋加工中，主要采用以硬質(zhì)合金材料為主的各種銑刀代替了傳統(tǒng)的高速鋼刀具，銑削速度大幅提高，加工效率提高了數(shù)倍，為銑削加工全面進(jìn)入高速銑削階段起到了重要作用。隨著涂層技術(shù)的發(fā)展，硬質(zhì)合金刀具的耐磨性和韌性得到了大幅度的提高，不僅開發(fā)了適應(yīng)高速銑削、干切削、硬切削的耐熱性更好的涂層，而且通過對涂層結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，開發(fā)了納米、多層結(jié)構(gòu)，大幅度提高了涂層硬度和韌性，推動了硬質(zhì)合金刀具的更廣泛應(yīng)用。

      然而，隨著發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋銑削加工向著更高的銑削速度發(fā)展，硬質(zhì)合金刀具以及陶瓷等刀具已難以滿足使用要求，特別是當(dāng)銑削線速度達(dá)到5000m/min以上時，聚晶金剛石（PCD）和聚晶立方氮化硼（PCBN）將成為可供選擇的兩種超硬刀具材料。

       PCD/PCBN超硬刀具的性能特點及應(yīng)用

      目前，國外先進(jìn)國家已經(jīng)大規(guī)模投入使用PCD/PCBN超硬刀具（見圖1），這與國外高速數(shù)控機(jī)床20年來的快速發(fā)展是分不開的，尤其是在汽車工業(yè)中，國外PCD/PCBN刀具已經(jīng)占到刀具市場份額的30%以上。PCD/PCBN刀具以其高硬度、高耐磨性、良好的導(dǎo)熱性和低摩擦系數(shù)等優(yōu)異性能，必將如同高速數(shù)控機(jī)床在中國的發(fā)展過程一樣，是大勢所趨。圖2所示為安裝了超硬刀片的可轉(zhuǎn)位面銑刀。

      聚晶立方氮化硼PCBN是目前利用人工方法合成的硬度僅次于金剛石的新型刀具材料，由于它具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他材料的硬度，因此它與金剛石統(tǒng)稱為超硬刀具材料。PCBN材料的硬度在4000～6000HV，具有很高的熱穩(wěn)定性、高溫硬度和抗氧化能力，在銑削鑄鐵遇到夾渣時也不會發(fā)生崩刃；其楊氏模量約為750GPa，高于WC、TiC、AL2O3等材料；密度較小，約為3.48×l03kg/m3，與AL2O3、Si3N4密度相近，而熱膨脹系數(shù)較小，因此，PCBN在高溫狀態(tài)下基本不會產(chǎn)生變形。基于上述優(yōu)點，PCBN刀具能夠滿足高速切削、干式切削、硬態(tài)切削等綠色制造的要求，非常適宜高速干式切削鑄鐵類缸體、缸蓋等工件。

      聚晶金剛石PCD是英文Polycrystallinediamond的簡稱，它與單晶金剛石相對應(yīng)。PCD刀具具有硬度高、抗壓強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性及耐磨性好等特性，可在高速切削中獲得很高的加工精度和加工效率。PCD刀具材料的硬度可達(dá)8000HV，為硬質(zhì)合金的80～120倍；導(dǎo)熱系數(shù)為700W/mK，因此PCD刀具熱量傳遞迅速；摩擦系數(shù)一般僅為0.1～0.3（硬質(zhì)合金的摩擦系數(shù)為0.4～1），因此PCD刀具可顯著減小切削力；熱膨脹系數(shù)僅為（0.9～1.18）×10－6，僅相當(dāng)于硬質(zhì)合金的1/5，因此PCD刀具熱變形小，加工精度高；PCD刀具與非鐵金屬和非金屬材料間的親和力很小，在加工過程中切屑不易粘結(jié)在刀尖上形成積屑瘤，所以PCD刀具在加工鋁、鎂、銅等金屬及其合金時表現(xiàn)出了優(yōu)良的性能。

      汽車工業(yè)是PCD/PCBN刀具最好的應(yīng)用領(lǐng)域。近年來，隨著我國汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車行業(yè)已成為國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，PCD/PCBN刀具配合高速數(shù)控機(jī)床使用，能縮短加工時間達(dá)到一半以上，同時也減少非加工時間，增加機(jī)床使用壽命，提高加工效率。目前，國外PCD/PCBN刀具在氣缸體、氣缸蓋、車軸、變速器、軸承蓋等零件加工上應(yīng)用很多。表1為PCD/PCBN刀具在各行業(yè)的應(yīng)用情況。

      PCD/PCBN刀具高速銑削發(fā)動機(jī)缸體缸蓋

      發(fā)動機(jī)缸體加工中，粗銑缸體幾個大面是效率最低、生產(chǎn)成本最高的加工工序。圖3、圖4所示為鑄鐵發(fā)動機(jī)缸體與鋁合金發(fā)動機(jī)缸體。目前，以涂層硬質(zhì)合金面銑刀為主的加工方式已不能適應(yīng)日益增長的效率競爭的要求。

      為了解決這個問題，對于鑄鐵類發(fā)動機(jī)缸體，可以應(yīng)用整體PCBN銑刀片高進(jìn)給干式粗銑平面，可有效提高缸體的加工質(zhì)量與加工效率。如上海通用汽車公司（SGM）的發(fā)動機(jī)柔性生產(chǎn)線上應(yīng)用高性能PCBN刀具銑削發(fā)動機(jī)缸體平面，銑削線速度高達(dá)1500～2000m/min，不僅大大提高了發(fā)動機(jī)的加工效率與加工質(zhì)量，縮短了加工時間，也提升了發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線的適應(yīng)能力。表2為PCBN與硬質(zhì)合金的切削參數(shù)對比。圖5為PCBN面銑刀高速銑削灰鑄鐵發(fā)動機(jī)缸體。

      對于鋁合金材料的發(fā)動機(jī)缸體缸蓋，則廣泛采用PCD面銑刀進(jìn)行高速銑削加工，使其加工效率與加工質(zhì)量得到極大提高。圖6所示為可轉(zhuǎn)位PCD面銑刀，其具體參數(shù)為：刀具直徑63mm，轉(zhuǎn)速19705r/min，每齒進(jìn)給量0.12mm，齒數(shù)為5，總進(jìn)給速度達(dá)12000mm/min，進(jìn)給行程為3033mm，消耗時間15.2s，刀具壽命為10000件。而對于相同規(guī)格的可轉(zhuǎn)位涂層硬質(zhì)合金面銑刀，其具體參數(shù)為：刀具直徑63mm，轉(zhuǎn)速4000r/min，每齒進(jìn)給量0.2mm，齒數(shù)為6，總進(jìn)給速度4800mm/min，進(jìn)給行程3033mm，消耗時間37.9s，刀具壽命為800件。

      由對比可知，在其他條件相同的前提下，PCD面銑刀消耗的時間比可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金面銑刀消耗的時間減少約60%，而刀具壽命則為原來的12倍多，大大減輕了刀具調(diào)整等輔助勞動的強(qiáng)度并節(jié)省了時間。另外，還可以適當(dāng)采用帶修光刃的刀片，使加工效率、表面質(zhì)量得到進(jìn)一步提升。圖7所示為使用PCD面銑刀精銑鋁合金缸蓋燃燒室面。

      結(jié)語

      PCD/PCBN代表刀具材料的發(fā)展方向，是一種較理想的切削刀具材料，其優(yōu)良的性能及高效優(yōu)質(zhì)的加工早已在國內(nèi)外得到普遍認(rèn)可與證實，以這種材料來替代不可再生而且漸漸匱乏的硬質(zhì)合金材料刀具是必然趨勢。相信隨著高速加工技術(shù)的不斷發(fā)展，以及PCD/PCBN刀具性能的不斷改善，成本的進(jìn)一步降低，其應(yīng)用必將更為廣泛。