近年来，在发动机制造领域，高精密、高速、高效率的大规模生产带来的行业竞争愈来愈激烈，工艺装备、材料技术、刀具材料、切削液等技术的发展日新月异。但是在生产过程中，零件的表面质量、加工精度以及刀具的寿命、异常磨损甚至刀具断裂等，一直是发动机加工中影响质量、效率、成本的关键难题。

     1  零件材料切削性能分析

     1.1  工件材料特性对切削性能的影响 

     由表1、表2可见，工件材料切削性能与硬度、抗拉强度、伸长率、冲击韧度成反相关，与导热系数成正相关。所谓难切削材料，就是切削性差的材料，或切削困难的材料。可以用材料的性能衡量，如硬度大于250 HBS，抗拉强度大于1 000 MPa、伸长率 δ大于30％、冲击韧度K α 大于1 000 kJ/m2，导热系数小于41.8 W/m•K，都属于难切削材料；也可用切削过程中的现象衡量，如切削力大、切削温度高、刀具易磨损、刀具耐用度低、已加工表面质量难于达到要求和切屑难于控制等。

     1.2  工件材料状况对刀具寿命和加工的影响

    （1）强度、硬度

     切削过程中克服材料强度和硬度所消耗的功及产生的热、力和摩擦是造成刀具后刀面磨损和前刀面月牙洼磨损的重要原因，材料的强度和硬度的增加使材料的可切削加工性变差。材料的硬度和强度适中，其切削加工性比较好；材料的硬度和强度越高，其切削加工性就越差。如45钢，它的硬度为200 HBS，抗拉强度 σ 为640 MPa，就好切削；淬火钢的硬度达55~65 HRC，抗拉强度 σ 达2 100~2 600 MPa，它的切削加工性就很差。

    （2）韧性、塑性

     韧性（冲击值 α ）和塑性（伸长率δ）大的材料，在切削加工时的切削阻力、切削变形和产生的切削热量就大，易生成积屑瘤和产生积屑瘤磨损。积屑瘤和粘结物的脱落，加快刀具的磨损。

    （3）加工硬化

     加工硬化倾向强的材料加剧刀具的沟槽磨损，因削弱刀具强度或降低加工表面质量，使刀具失效。

    （4）化学亲和力

     与刀具材料化学亲和力强的材料，引起粘结磨损和扩散磨损，加剧月牙洼磨损。如PCD刀具，金刚石与铁有很强的化学亲和力，在切削高温下，铁原子容易与碳原子相互作用，使其转化为石墨结构，当使用PCD刀具对铁系金属的灰铸铁加工时，会导致刀具快速化学磨损，PCD刀具极易损坏，一般灰铸铁缸体不采用PCD刀具。

    （5）弹性模量

     弹性模量表示材料刚度的指标。弹性模量大，表示材料在外力作用下不易产生弹性变形；弹性模量小的材料在切削过程中，弹性恢复大，且与刀具摩擦大，切削也困难，材料切除后的反弹量大，加剧刀具后刀面的磨损。如软橡胶的弹性模量为2~4 MPa，45钢为200 000 MPa。

    （6）导热性

     导热性差的材料，切削区温度高，使刀具强度、硬度降低，造成塑性变形，加剧刀具的磨损（7）金相组织

     铁素体：其硬度和抗拉强度很低（50～90 HBS，σ=190～250 MPa)、塑性和韧性高，切削时易产生积屑瘤，切削加工性较差。

     珠光体：珠光体的球化有利于改善材料的可切削加工性，切削加工性较好，如45钢。

     渗碳体：硬度高，但很脆，切削易崩边，切削加工性差。

     奥氏体：其硬度不高（200 HBS左右），但塑性和韧性很高，加工表面硬化严重，切削加工性很差，如高温合金、1Cr18Ni9Ti等。

     马氏体、粒状贝氏体组织：毛坯中由于存在此类组织，硬度高、脆性大，特别是有硬质点，对刀具产生强烈的摩擦和磨损。

     切削加工性能：铁素体＞珠光体（球状）＞珠光体（片状）＞索氏体＞回火马氏体＞马氏体＞渗碳体；铸铁中石墨的形状是片状、球状、絮状，对基体的应力集中不同，对铸铁的可加工性能有很大影响。

    （8）化学成分

     化学成分中的合金元素越多、含量越高，材料的可切削加工性越差，会加剧刀具的磨损。添加有利于切削的元素可改善加工性能。表3为主要合金元素影响切削加工的原因。

    （9）材料变形性能

    切削变形小的材料和易断屑的材料，切削刃与刀具的接触面积小，切削力集中在刀尖，易使刀具崩刃或产生振动。

   （10）毛坯的缺陷

     毛坯的余量大，存在飞边、砂眼，毛坯中夹砂等，刀具寿命就短。  

                       表3  主要合金元素影响切削加工的原因

     2  零件所用的刀具材料和切削参数的分析

     发动机主要零件的刀具材料和切削参数如表4

                                            表4  发动机主要零件的刀具材料和切削参数

     2.1  PCD刀具的应用特点

     PCD刀具具有高硬度、高耐磨性和高导热性，尤其在铝和铝硅合金的高速切削加工中显示很大的优越性。在发动机缸盖、变速器壳体等铝合金件的加工中大量使用了各种型式的PCD刀具。 

    （1）PCD刀具的性能特点

     a.具有极高硬度。其硬度大于9 000 HV。

     b.具有极高的耐磨性。人造金刚石为硬质合金的60～80倍，在高速切削条件下，PCD刀具的寿命可为硬质合金刀具的数倍至上百倍。

     c.具有很低的摩擦因数。金刚石刀具与一些有色金属之间的摩擦因数比其他材质刀具都低，约为硬质合金刀具与有色金属之间摩擦因数的1/2，通常在0.1～0.3。

     d.具有很好的导热性能。

     金刚石的导热系数为硬质合金的1.5～9倍，铜的2～6倍，由于导热系数和扩散率高，切削热容易导出，使得刀具的切削部分切削温度相对较低。

     e.具有很低的热膨胀系数。金刚石的热膨胀系数比硬质合金小数倍，约为高速钢的1/10，这使得由切削热引起的刀具尺寸变化很小，有利于精密加工。

     f.PCD刀具的性能与金刚石的粗粒度紧密相关。

     粒度20～25 μm的粗粒度PCD刀具，金刚石含量较高，耐磨性好，此类PCD刀具易产生微小崩刃，难以制作高精度刀具；粒度0.5～10 μm的细粒度PCD刀具刃口锋利性好，形状精度高，但耐磨性不如粗粒度刀具；而粒度10～20 μm的中粒度的PCD刀具性能介于粗粒度和细粒度刀具之间。

     g.PCD刀具与硬质合金刀具相比，能在很长的切削过程中保持刃口的锋利和切削效率。在汽车制造业铝合金部件的切削加工中，PCD的使用性能更为突出。

    （2）PCD刀具的结构特点

     PCD刀具从结构上主要分为焊接式PCD刀具和可转位式PCD刀片。目前，大多数使用的PCD刀片都是在硬质合金基体上烧结0.3～1 mm厚度的PCD刀片而形成的复合刀片。这种复合刀片可焊性好，重磨容易。也可以将磨损的旧刀片脱焊下，再焊上一块新的PCD刀片（贴片），经过修磨后即可重新使用，这样PCD刀具的成本也相对较低。

     焊接式PCD刀具主要有3种安装方式。

     a.将PCD刀片直接焊在刀体上，如PCD铰刀；

     b.将PCD刀片焊接在刀夹上，再将刀夹安装在刀体上，如PCD铣刀；

     c.将焊有PCD刀尖的刀片制作成可转位刀片，安装在刀体上。

    （3）PCD刀具使用过程中的常见问题

     a.在发动机缸盖、变速器壳体等铝合金件的加工中，PCD刀具表现出很好的耐磨性，但遇到的常见问题是积屑瘤，即使采取提高切削速度，也会发生这种情况。通常，采用提高切削液的浓度和润滑性能的办法来解决上述问题。

     b.PCD刀具可适应的切削速度范围比较广，其磨损随着切削速度的提升而逐渐发展，当刀具寿命明显缩短时，应适当降低切削速度；刀具的寿命在很大程度上并不依赖于进给量，只要不发生切削刃崩刀，高进给量通常可以提供更快的金属去除率而并不缩短刀具寿命，进给量一般不应超过刀尖半径值的一半；切削深度，一般以切削刃长度的65%为最大值。增加PCD刀具的切削深度会使切削力增大，切削热升高而加剧刀具的磨损，容易引起PCD刀具的崩刀，影响刀具寿命。

     c.PCD刀具由于自身加工困难，不易在前刀面上开出断屑槽，在切削加工中断屑就比较困难，这在加工铝件中表现明显。解决方法：通过改变PCD刀片在刀体上安装的角度，形成合适的刀具前角；通过切削试验调整进给量的变化，形成理想的断屑效果

     d.使用PCD刀具对缸盖等铝合金工件进行孔加工时，有时会遇到加工出的工件孔径比刀具直径大的情况，这通常是因为刀具刀齿的径向圆跳动或轴向主切削刃的不等高超差，严格控制刀具刀齿的径向圆跳动或轴向等高可解决此问题。

     e.焊接式PCD铰刀或镗刀的刀片有时在切削加工中发生PCD刀片从硬质合金基体上脱落的现象。原因有两种：一是焊接质量问题，焊接强度不够，受到稍大的切削力，刀片就剥落掉下来；二是因切削液清洁度不佳造成PCD刀具的内冷孔可能被微小的切屑、杂质堵塞，使得切削液无法通过刀具的内冷孔对刀具进行冷却，刀片及其焊接部位受切削热的影响，温度升高，刀片焊接部位熔解，刀片脱落。

    2.2  CBN刀具的应用特点

    CBN刀具具有良好的化学稳定性、热硬性和在切削高温下的抗氧化性，在1 300 ℃左右的切削高温下也不与铁系材质发生化学反应，因此适合高速切削，能加工金刚石刀具所不能加工的黑色金属。

   （1）CBN刀具的性能特点

    a.CBN是由六方氮化硼在高温高压下转化而成的，硬度可达8  000～9  000  HV，耐磨性很好。CBN刀具材料的硬度主要取决于其CBN的含量，一般在40%～95%。随着CBN含量的增高，CBN刀具的硬度、耐磨性和热导率也增高，但韧性下降。如果CBN含量超过95%，则CBN刀具的性能变差，CBN的颗粒易脱落，耐磨性急剧变差；如果CBN含量低于50%，则CBN刀具的硬度明显下降，切削刃易变形而损坏。

    b.CBN晶粒大小影响CBN刀具的强度和抗破损能力。细晶粒可使晶粒的界面积增加，提高烧结后的强度和抗裂纹扩展能力，刀具切削刃的锋利性提高。

   （2）CBN刀具的结构特点

     a.CBN刀具切削部分的结构形式分为两类：可转位刀片和焊接式刀片。可转位CBN刀片外形类似普通的硬质合金可转位刀片，有整个刀片都是CBN材料的整体式CBN刀片，也有在硬质合金的基体上，仅在某个或某几个角上焊接CBN材料形成CBN切削刃刀片的。这两种CBN刀片如同硬质合金刀片一样，可直接装在一般的可转位刀具的刀体上使用，大多用在CNC加工中心的设备上。

      b.焊接式CBN刀具结构与一般的焊接式硬质合金刀具一样，使用过的刀具在一定范围内可以进行重新修磨再使用。

     c.CBN刀具的强度比硬质合金刀具低，在切削加工钢铁材质工件时，通常采用0°前角，后角一般也选择比较小，以保证刀具切削部分的锲角足够大，切削刃切入处于较好的受力状态；刀尖研磨成0.1～0.3 mm的圆弧，以保证刀尖有足够的强度

    （3）CBN刀具使用过程中的特点

     a.CBN刀具的脆性大于硬质合金，因此要求机床主轴、机床进给系统、刀具夹持装置刚性要好，振动要小，防止切削加工过程中的振动引起的CBN刀具的崩刀和破损。

     b.CBN刀具广泛应用于汽车发动机铸铁缸体的加工中，如缸孔粗镗、半精镗、精镗，缸体的顶面和底面的粗铣、半精铣，特别是铸铁缸孔粗镗、半精镗、钻头取得很好的效果。粉末冶硬质合金制造丝锥、精镗加工的CNC刀具的耐用度可达数百件甚至上千件，显示出很好的优越性。

     c.CBN是非常好的砂轮材料。例如，曲轴、凸轮轴的主轴颈、凸轮的外圆磨，基本上采用CBN砂轮高速切削，切削速度为80～125 m/s。厚度5 mm CBN砂轮为非常耐磨的砂轮品种，工件磨削层的厚度0.5～2 mm，凸轮轴冷激层的硬度≥40 HRC，在此范围的毛坯，CBN砂轮能够抵抗毛坯飞边、毛刺和冷激瘤的冲击，砂轮的寿命都在10万次以上。

     2.3  硬质合金刀具的应用特点

     硬质合金刀具中常用的碳化物有WC、TiC、TaC、NbC等，常用的粘结剂是Co、Mo、Ni等。随着硬质合金烧结工艺的改进，传统WC硬质合金性能的提高，钛基硬质合金、细颗粒和超细颗粒硬质合金及新型涂层技术在硬质合金表面上应用的发展，硬质合金的应用获得较大发展，顺应了切削效率不断提高的趋势。过去曾经大量使用的普通高速钢刀具已不再适应高速高效的加工条件，目前已高速切削的发展和大部分被硬质合金代替。 

     对于1 000 m/min以上的切削速度，如果切削铸铁材质工件，硬质合金刀具一般不太合适。在这样高的切削速度条件下工作，硬质合金刀具会很快磨损，刀具会异常磨损，大批量生产无法正常维持，只能选择CBN刀具。如果切削铝合金材质工件，硬质合金由于极易产生积屑瘤，也无法满足生产，较好的方法是采用PCD刀具。为降低刀具成本，利用粉末高速钢材料代替金高速钢无碳化物偏析，颗粒细小均匀（为2～3μm），经过热处理后，硬度可达67～70 HRC，硬度较高，抗弯强度好，可达2.73～3.34 GPa，高的甚至可达4.4～5.4 GPa，红硬性较高，在600 ℃的高温硬度比熔炼高速钢高，同时还可以在其表面覆以各种涂层，粉末冶金高速钢刀具寿命比普通高速钢大为提高。

                                         表5为发动机主要零件切削加工常用刀具比较。

     3  切削液系统关键要素分析

     切削液系统是与工件、刀具密切相关的重要系统，起着润滑、冷却、清洗排屑、防锈等重要作用。润滑功能主要是减少摩擦、减少刀具和砂轮磨损、延长刀具和砂轮寿命、减少机床刀具和砂轮动力消耗、降低工件表面粗糙度。冷却功能主要是减少刀具、砂轮和加工屑之间的摩擦热，以及散热。清洗排屑主要是将加工产生的碎屑移走。防锈功能是，提供临时的防锈保护，避免由空气、潮湿、其他气体引起的氧化，防止其他外界环境的腐蚀。对切削液的其他要求：与工件相兼容，无污染、腐蚀、损伤、残留；最小的加工油雾或烟气，令人易于接受的气味；良好的生物稳定性；与水相兼容，低泡沫，无残留。

     一些重要的参数如切削液的浓度、流量、压力都必须得到有效控制。通常根据切削液使用条件、使用环境，确定合理的取样和检测要求，定期对切削液浓度、pH值、防锈性、微生物含量（细菌、真菌、霉菌等）、切削液的电导率（或总硬度）以及切削液的清洁度等加以评定和分析。

     3.1  带导条的刀具与切削液润滑的密切关系

     在大批量生产发动机的数控加工机床上有3个与高精度、长径比很长的深孔有关的零件：加工缸盖凸轮轴孔的带导条的刀具；加工缸体曲轴孔的带导条的mL/h。大部分介质提供方式是内冷刀具；加工缸体缸孔的带导条的刀具。特别是前两个刀具，这类镗刀的刀具悬伸很长，无法象专机加工那样设置导向套对刀具进行支撑和导向，所加工的尺寸精度、形状精度、位置精度很高，这样采用带导条的刀具就很好地解决了这个难题。

     带导条的刀具巧妙地运用于精密孔加工的镗削和铰削。主要特点是，在直接对工件进行加工的刀具省掉。后面，在刀体上径向分布数条与刀具轴心线一致的具PCD材料，在切削加工中，导条利用已加工的表面作支撑，可对继续加工的刀具起到很好的支撑和定心导向作用，孔的公差可以控制在±0.012 5 mm。需要强调的是，刀具导条并不真正与工件的已加工表面直接接触，真正起作用的是刀具导条与工件已加工表面之间的一层油膜。这层油膜能否形成，特别是油膜的刚度如何，是带导条的刀具切削加工成功的关键。所以，对切削液、刀具的调整的要求都很高。

    （1）这种带导条刀具的切削液浓度为10%～12%，比普通切削加工过程的浓度要高约2%。如果切削液浓度低，就不能形成有效的支撑膜或油膜刚度不够，油膜容易破裂，将会引起工件已加工的表面擦伤、拉毛等缺陷，造成工件表面粗糙度达不到技术规范要求。在切削液系统运行中，必须确保切削液的添加、调整、更换和更改受到严格的控制。当发现使用这种带导条的刀具出问题的时候，一定要重视对切削液的检查和分析，甚至首先要检查和排除切削液的问题。

    （2）对刀具的调整要求很高，刀片的刀尖对导条在径向方向的高度为8μm左右，刀具装在机床主轴上的跳动一般需控制在3μm以内。

     3.2  气体微量油雾润滑（MQL）

     气体微量油雾润滑是使用油雾和高压空气冷却和润滑刀具的切削部位，使刀具的切削部位达到润滑效果及切削温度。这种润滑冷却方式相对于传统的冷却系统，极大地节省了冷却液。通常，冷却液的使用量为10～100式，要求刀具必须制造有内冷孔，机床上相应的装置、刀具和机床上有关切削液在内冷孔的传递部位的密封必须完好可靠。MQL气体微量油雾润滑的优点如下。

    （1）极大地降低了冷却液的使用量即冷却液的使用成本，同时降低了冷却液回收处理成本，甚至冷却液的油箱也可以省掉。

    （2）提高加工表面质量。传统的冷却液循环使有一定长度的导条，导条可以是硬质合金，也可以是用中会带有切屑和硅颗粒，这些杂质会影响工件的表面加工质量。使用微量润滑，不存在冷却液循环使用，可以避免因杂质影响，提高表面加工质量。

    （3）改善加工环境和工人健康。传统的冷却液要素构成金属材料切削加工复杂的大系统，每个要素都形成一个复杂的子系统，相互之间复杂多变和相互作用。所有因素综合在一起，决定和影响工件的尺寸、表面质量以及刀具的寿命和成本。所以要从系统工程的角度，以系统的观点和方法来研究、分析和解决切削加工中出现的问题。

     4  结束语

     工件的材料、工艺、设备、刀具、夹具、切削液、操作者、管理等系统中，油箱内常常滋生真菌和细菌。而微量润滑使用的润滑油为植物油或其他可分解的油。使用微量润滑，也会避免油污溅落地面的状况。