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超硬刀具在高速铣削发动机缸体缸盖中的应用
Nov 1, 2012  来源:  作者:莱芜职业技术学院 吴修彬 李英 孙贵斌

      随着汽车工业的快速发展,汽车及零部件制造业已成为机床和刀具行业最大、最重要的用户。而随着市场竞争的日益加剧,提高生产效率、缩短产品交付时间、降低成本已成为企业生存和发展的关键,高速切削加工技术无疑是解决这些问题的一条非常重要的途径。而高速加工技术的发展是以刀具材料的发展为基础的,尤其是超硬刀具材料的不断发展,越来越多地应用在汽车重要零部件的高速加工中。目前,高速铣削在汽车发动机缸体、缸盖等零件的加工中已经得到逐步应用,成为各大汽车厂家重点研究的高新技术之一。

 

      我国发动机缸体缸盖高速铣削技术与刀具现状

 

      传统的发动机缸体、缸盖铣削加工大量采用专机生产线,生产效率低下、生产节拍慢、生产成本高。如今,随着新设备、新工艺的不断采用,发动机缸体、缸盖的铣削加工逐渐采用数控高速加工中心以替代这些传统的专机生产线,向着高速铣削的方向发展,许多加工中心机床的主轴转速可达数万转。

 

      随着数控设备与高速铣削工艺的推广应用,刀具材料也发生了巨大变化。近年来,在发动机缸体、缸盖加工中,主要采用以硬质合金材料为主的各种铣刀代替了传统的高速钢刀具,铣削速度大幅提高,加工效率提高了数倍,为铣削加工全面进入高速铣削阶段起到了重要作用。随着涂层技术的发展,硬质合金刀具的耐磨性和韧性得到了大幅度的提高,不仅开发了适应高速铣削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层,而且通过对涂层结构的创新,开发了纳米、多层结构,大幅度提高了涂层硬度和韧性,推动了硬质合金刀具的更广泛应用。

 

      然而,随着发动机缸体、缸盖铣削加工向着更高的铣削速度发展,硬质合金刀具以及陶瓷等刀具已难以满足使用要求,特别是当铣削线速度达到5000m/min以上时,聚晶金刚石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PCBN)将成为可供选择的两种超硬刀具材料。

 

       PCD/PCBN超硬刀具的性能特点及应用

 

      目前,国外先进国家已经大规模投入使用PCD/PCBN超硬刀具(见图1),这与国外高速数控机床20年来的快速发展是分不开的,尤其是在汽车工业中,国外PCD/PCBN刀具已经占到刀具市场份额的30%以上。PCD/PCBN刀具以其高硬度、高耐磨性、良好的导热性和低摩擦系数等优异性能,必将如同高速数控机床在中国的发展过程一样,是大势所趋。图2所示为安装了超硬刀片的可转位面铣刀。

 

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      聚晶立方氮化硼PCBN是目前利用人工方法合成的硬度仅次于金刚石的新型刀具材料,由于它具有远远高于其他材料的硬度,因此它与金刚石统称为超硬刀具材料。PCBN材料的硬度在4000~6000HV,具有很高的热稳定性、高温硬度和抗氧化能力,在铣削铸铁遇到夹渣时也不会发生崩刃;其杨氏模量约为750GPa,高于WC、TiC、AL2O3等材料;密度较小,约为3.48×l03kg/m3,与AL2O3、Si3N4密度相近,而热膨胀系数较小,因此,PCBN在高温状态下基本不会产生变形。基于上述优点,PCBN刀具能够满足高速切削、干式切削、硬态切削等绿色制造的要求,非常适宜高速干式切削铸铁类缸体、缸盖等工件。

 

      聚晶金刚石PCD是英文Polycrystallinediamond的简称,它与单晶金刚石相对应。PCD刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性,可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率。PCD刀具材料的硬度可达8000HV,为硬质合金的80~120倍;导热系数为700W/mK,因此PCD刀具热量传递迅速;摩擦系数一般仅为0.1~0.3(硬质合金的摩擦系数为0.4~1),因此PCD刀具可显著减小切削力;热膨胀系数仅为(0.9~1.18)×10-6,仅相当于硬质合金的1/5,因此PCD刀具热变形小,加工精度高;PCD刀具与非铁金属和非金属材料间的亲和力很小,在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤,所以PCD刀具在加工铝、镁、铜等金属及其合金时表现出了优良的性能。

 

      汽车工业是PCD/PCBN刀具最好的应用领域。近年来,随着我国汽车工业的不断发展,汽车行业已成为国民经济的重要支柱,PCD/PCBN刀具配合高速数控机床使用,能缩短加工时间达到一半以上,同时也减少非加工时间,增加机床使用寿命,提高加工效率。目前,国外PCD/PCBN刀具在气缸体、气缸盖、车轴、变速器、轴承盖等零件加工上应用很多。表1为PCD/PCBN刀具在各行业的应用情况。

 

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      PCD/PCBN刀具高速铣削发动机缸体缸盖

 

      发动机缸体加工中,粗铣缸体几个大面是效率最低、生产成本最高的加工工序。图3、图4所示为铸铁发动机缸体与铝合金发动机缸体。目前,以涂层硬质合金面铣刀为主的加工方式已不能适应日益增长的效率竞争的要求。

 

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      为了解决这个问题,对于铸铁类发动机缸体,可以应用整体PCBN铣刀片高进给干式粗铣平面,可有效提高缸体的加工质量与加工效率。如上海通用汽车公司(SGM)的发动机柔性生产线上应用高性能PCBN刀具铣削发动机缸体平面,铣削线速度高达1500~2000m/min,不仅大大提高了发动机的加工效率与加工质量,缩短了加工时间,也提升了发动机生产线的适应能力。表2为PCBN与硬质合金的切削参数对比。图5为PCBN面铣刀高速铣削灰铸铁发动机缸体。

 

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      对于铝合金材料的发动机缸体缸盖,则广泛采用PCD面铣刀进行高速铣削加工,使其加工效率与加工质量得到极大提高。图6所示为可转位PCD面铣刀,其具体参数为:刀具直径63mm,转速19705r/min,每齿进给量0.12mm,齿数为5,总进给速度达12000mm/min,进给行程为3033mm,消耗时间15.2s,刀具寿命为10000件。而对于相同规格的可转位涂层硬质合金面铣刀,其具体参数为:刀具直径63mm,转速4000r/min,每齿进给量0.2mm,齿数为6,总进给速度4800mm/min,进给行程3033mm,消耗时间37.9s,刀具寿命为800件。

 

      由对比可知,在其他条件相同的前提下,PCD面铣刀消耗的时间比可转位硬质合金面铣刀消耗的时间减少约60%,而刀具寿命则为原来的12倍多,大大减轻了刀具调整等辅助劳动的强度并节省了时间。另外,还可以适当采用带修光刃的刀片,使加工效率、表面质量得到进一步提升。图7所示为使用PCD面铣刀精铣铝合金缸盖燃烧室面。

 

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      结语

 

      PCD/PCBN代表刀具材料的发展方向,是一种较理想的切削刀具材料,其优良的性能及高效优质的加工早已在国内外得到普遍认可与证实,以这种材料来替代不可再生而且渐渐匮乏的硬质合金材料刀具是必然趋势。相信随着高速加工技术的不断发展,以及PCD/PCBN刀具性能的不断改善,成本的进一步降低,其应用必将更为广泛。

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