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高速加工在发动机生产中的应用

2011-5-24 来源：上汽通用五菱汽车股份作者：邓雄章

高速切削是一个相对概念，一般地，高速被定义为明显超出普通切削速度的5～10倍，通常是指高的主轴转速（10000～100000r/min）、高的进给/快移速度（可达40～180m/min）下的铣削加工。面对制造行业日益激烈的国际性竞争，高速加工（High Speed Cut）已成为一个非常重要的技术研究方向。高速加工在国际上广泛应用于航空航天制造、模具制造、汽车零部件加工及精密零部件加工等行业，已经成为企业竞相攻关的技术方向。高速切削工艺的优点 高速切削不仅仅是切削速度的提高，还需要在制造技术全面进步和进一步创新的基础上，包括驱动、刀具材料、涂层、刀具、测试及安全等技术的重大进步，才能达到切削速度和进给速度的成倍提高，才能使制造业整体切削加工效率有显著的提高。高速切削工艺的优点如下：1．缩短生产时间采用高速切削加工，切削速度和进给速度成倍提高，整体切削加工效率有显著的提高，加工时间显著缩短2．降低制造成本更高的生产力水平必然引起制造成本的下降。采用高速切削设备与刀具可实现批量生产下的最低制造成本。3．高速切削吸收能量采用高速切削加工，一方面减少了工件在加工过程中的发热，特别在铣削加工中。因发热量的降低，工件升温小，加工尺寸稳定，对刀具和设备造成的损害也小；另一方面，高速切削可加工硬质材料，这一优势是普通机床所不能比拟的。4．改善工件的加工质量采用高速切削加工，加工精度和切削表面的质量可大大提高，零件表面粗糙度可达到微米级，减少和消除打磨、抛光等辅助工时。发动机制造中的高速加工如今，随着新的工艺不断采用，超硬材料刀具、涂层刀具与合金材料刀具的不断开发，高速加工在普通加工中也变得愈发重要。发动机制造中的高速加工中心、高速外铣及CBN砂轮高速磨削等应用十分普遍。发动机制造业在高速加工的应用中以电主轴实现主轴高速和以直线电机实现高直线移动速度为主要特征，目的是用高主轴转速和高速直线进给运动的单主轴加工中心来替代多主轴但难以实现高主轴转速和高速进给的组合机床。主轴最高转速一般可达60 000r/min，最大进给速度100m/min左右。电主轴融合了许多尖端技术，如一般采用复合陶瓷材料或电磁悬浮的高速轴承、高速电机技术、定时定量油气润滑以及自动换刀装置等。也有一些公司为降低成本，不用直线电机，而采用中空通冷却液、加大直径和加大导程的滚珠丝杆。上汽通用五菱发动机工厂采用高速加工中心、CBN砂轮等高性能机床，实现了高速铣削加工和磨削加工。1．铣削加工目前发动机中缸体、缸盖大平面加工一般使用铣削技术。以铸铁材料的缸体在高速铣削加工中心（见图1）上的铣削加工为例，采用了立方氮化硼（CBN）刀片，其切削速度可达到700～1500m/min。

铣削的生产效率大大提高。对于铝合金材料的缸盖，则采用面铣刀进行高速切削加工。采用PCD刀片，铣刀直径逐渐缩小，并向多工位复式加工发展。上汽通用五菱发动机工厂采用德国MAG公司的EX-CELL-O高速铣削加工中心，在发动机缸体缸盖线总共布置了104台。该加工中心结构如图2所示，X轴的加工范围为0～630mm，Y轴的加工范围为0～630mm，Z轴的加工范围为0～710mm，B轴可实现306°旋转，W轴为带有20个刀位的刀库和相应的钻头折断检查装置。主轴为Weiss电主轴，转速无极可调，最大为16 000r/min，驱动功率30kW，使用免维护内冷刀柄，拉紧力达18 000N，用永磁芯片跟踪刀具寿命、尺寸及补偿量等信息。设备附带安装了自动冷却站、切削废屑冲洗回收装置，可消除切屑飞散造成的机械故障，减轻机床清洁保养作业的强度，从而提高设备运转率。

缸体、缸盖线的铣削、钻孔、攻丝加工工艺全部由这104台EX-CELL-O加工中心完成。图2所示为发动机缸盖加工及应用。

2．磨削加工

上汽通用五菱发动机工厂的曲轴加工中应用高速磨削，采用4台美国LANDIS公司制造的外圆磨床（见图3），实现对曲轴主轴颈、连杆颈、油封和心轴等外圆的磨削加工。在外圆磨削中采用了LANDIS公司的专利磨削技术，其使用CBN砂轮在一次夹紧工件的条件下对曲轴进行磨削加工。LANDIS磨床有高切削功率，高精度的工件几何外形，均匀的高精度尺寸及外表面质量等优点，加工后，直径公差可保证在±6mm之间，加工面的粗糙度可控制在Ra0.8mm以内。LANDIS磨床能实现Marposs在线测量反馈，自动补正，自动修砂轮等功能，而且测量头用冷却液同步冷却大大减小温度对测量的影响，可大大提高加工柔性，CBN砂轮每修整一次，可加工5 000～10 000件曲轴。3．车-车拉结合高速外铣

曲轴车-车拉工艺将车削和车拉工艺结合在一起，使加工的柔性增大。不但可加工曲轴的主轴颈、连杆颈、法兰和皮带轮轴颈，而且还可同时加工轴颈的外圆轴肩、圆角和沿割槽。结合曲轴的高速外铣后可大大节省加工时间。上汽通用五菱发动机工厂的曲轴加工使用全球领先的德国BOEHRINGER公司的5台车-车拉床，实现对曲轴主轴颈、连杆颈和法兰的加工。BOEHRINGER车-车拉床使用双主轴，双刀盘结构（见图4），在保证加工精度的同时，提高了加工速度和生产效率。

4．钻削加工在发动机生产过程中，孔加工的比例也比较高，尤其是缸盖和缸体的孔加工作业量比较大。其中钻削加工约占60%，其次为镗削加工和攻丝加工。

上汽通用五菱发动机工厂的发动机缸体缸盖的钻削加工使用EX-CELL-O加工中心完成，而曲轴的斜油孔、法兰端螺纹孔以及两端定位孔等加工内容，则使用图5所示日本HORKOS加工中心完成。曲轴生产线共采用10台HORKOS加工中心，其中，2台OP10、4台OP50、3台OP60和1台OP100。高速钻削加工主要难点是如何提高排屑性能、提高工具刚性、防止钻尖过热和回转平衡性等问题。HORKOS加工中心以优良的表现，再配以优质内冷刀具，成功解决了这些高速钻削加工中常见的问题。高速切削刀具的应用高速加工的发展史就是刀具材料不断进步的历史。上汽通用五菱发动机工厂SOP初期采用的大部分刀具均为进口，国产化工作不断取得突破，现在应用比较普遍的刀具主要有CBN和PCD刀具、涂层硬质合金刀具、陶瓷刀具等。另外，绗磨刀具的国产化也已取得重大突破。 1．CBN及PCD刀具高速切削的代表性工具材料是CBN以及PCD。端面铣削使用CBN刀具时，其切削速度可达5 000m/min。用CBN刀具加工20CrMo5淬硬齿轮（60HRC）内孔，表面粗糙度可达0.22μm，已成为国内外汽车行业推广的新工艺。凸轮轴和曲轴也采用CBN砂轮进行高速磨削；在缸体、缸盖铝合金材料铣削加工中则广泛采用PCD刀具，考虑到高速回转时将会产生很大的离心力，因此刀体采用高强度铝合金材料制作。

图6所示为氧化铝砂轮，因为氧化铝基具有很高的化学稳定性和有利的热特性，综合考虑实用性和经济性，主要应用于磨削量大的主轴颈外圆磨床，而高端磨削刀具的代表CBN砂轮（见图7）则应用于随动要求更高的曲轴连杆颈外圆磨床。

2．硬质合金刀具硬质件切削是高速切削技术的重要应用领域，即用单刃或多刃刀具加工淬硬零件，它比传统的磨削加工效率高，而且简化了工艺方法和环节，不仅节约了成本，而且更加柔性化。在钻削和铣削加工中，超细晶粒硬质合金适合于大多数应用，它们同时具有较高的韧性和优异的耐热性，从而可将有利的切削刃槽形与较大的前角及后角融为一体，这些特征的直接反映是降低了切削力和切削温度；在攻丝时，特别高的扭矩以及在较高切削速度下升高的温度需要采用非常坚韧且具有高耐热性的切削材料。上汽通用五菱发动机工厂采用内冷的硬质合金钻头代替过去的高速钢钻头进行孔加工，攻螺纹也采用硬质合金丝锥来提高速度，缸盖攻螺纹甚至采用无切削挤压式丝锥。曲轴轴颈加工现改用硬质件加工方式，配合磨削和抛光，达到表面粗糙度要求。 3．刀具涂层技术为使切削工具既作到价格低廉，又具备优异的性能，可有效降低加工成本的技术，目前当首推涂层技术。刀具涂层的作用：可提高耐磨性，提高刀具寿命，提高切削性能；涂层的存在，降低刀具与切屑间的磨擦，借以增加钻深, 降低切削力；鲜艳的涂层外表（金黄色、火红色等），易观测刀具的磨损情况；刀具表面存在涂层，可减少切削热，降低热量在刀具和工件上的相互作用（涂层隔离刀具和工件，杜绝化学反应；涂层和刀具的导热系数差异，可减少热量在刀具上的积留）；优质涂层可提高刀具性能，减少积屑瘤和月牙洼的形成。综合分析涂层的经济性和性能，上汽通用五菱发动机工厂高速加工使用的立铣刀大都采用TiAlN系的复合多层涂镀技术进行处理，不同涂层钻头寿命见图8。

结语在大规模使用高速加工机床的背景下，伴随着高速切削刀具的使用，现代高速加工技术的广泛应用，对上汽通用五菱发动机工厂实现年产35万台发动机产能提供了保障。这些高速加工技术不但为上汽通用五菱发动机工厂加工了满足市场需求的大量发动机零部件，同时，高速加工机床的加工质量稳定性和可靠性，也为上汽通用五菱在市场的激烈竞争中保持领先，提供了质量保障。

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