高速銑削加工技術(shù)及刀具現(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)速已可達(dá)數(shù)萬轉(zhuǎn)。另外，為了提高生產(chǎn)效率，逐步減少或合并加工工序，如取消半精加工、粗加工后直接進(jìn)行精加工、面粗銑后一次精銑達(dá)到要求，且在粗銑中盡可能多地切除加工余量、然后進(jìn)行一次精加工保證加工尺寸和形狀、位置精度及表面加工質(zhì)量。

　　隨著數(shù)控設(shè)備與高速銑削工藝的推廣使用，數(shù)控刀具材料也發(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，目前，國外硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片的涂層比例已達(dá)70%以上。

　　另外，隨著陶瓷材料組成結(jié)構(gòu)和壓制工藝的不斷改進(jìn)，陶瓷和金屬陶瓷刀具材料品種增多,強(qiáng)度和韌性逐步提高,擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域和加工范圍,在發(fā)動機(jī)灰鑄鐵缸體、缸蓋的精加工、半精加工中能夠代替硬質(zhì)合金,切削速度可達(dá)硬質(zhì)合金刀具的2-5倍，提高了加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

　　近年來，隨著發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋銑削加工向更高的銑削速度發(fā)展，硬質(zhì)合金刀具與陶瓷刀具已難以滿足使用要求，特別是當(dāng)銑削速度達(dá)到5000m/min以上時，聚晶金剛石（PCD）和聚晶立方氮化硼（PCBN）將成為迄今發(fā)現(xiàn)、可供選擇的兩種超硬刀具材料。

　　PCD刀具材料具有高硬度、高耐磨性、高導(dǎo)熱性及低摩擦系數(shù)等特點，在端面銑削鋁合金缸體、缸蓋時，可實現(xiàn)高速、高精度、高穩(wěn)定性加工，如采用鋁基體刀盤、直徑為100mm六齒高速銑刀，最高切削速度可達(dá)7000m/min，且使用壽命很長。

　　PCBN材料的硬度僅次于金剛石，與鐵的反應(yīng)呈惰性，特別是其紅硬性好，在1000多度的高溫下仍能保持其硬度和良好的切削性能，適應(yīng)高速銑削的需要，在灰鑄鐵缸體、缸蓋加工中獲得了良好的應(yīng)用效果，能夠?qū)崿F(xiàn)“以銑代磨”，與硬質(zhì)合金刀具相比，其切削速度可提高一個數(shù)量級。

[$page]　　整體PCBN刀具在高速銑削發(fā)動機(jī)灰鑄鐵缸體、缸蓋中的應(yīng)用

　　PCBN是將精選的CBN晶體在高溫高壓下燒結(jié)而成的超硬材料。影響PCBN 刀片性能的主要因素為CBN的含量、晶粒尺寸和粘結(jié)劑種類。CBN含量主要影響PCBN的硬度和耐磨性，含量越高， PCBN的硬度和耐磨性越高；CBN的晶粒尺寸影響PCBN的耐磨性和抗破損性， 晶粒尺寸越大，耐磨性約好，而抗破損能力越弱；PCBN中的粘結(jié)劑有金屬粘結(jié)劑（Co、Ni、Ti、Al等）和陶瓷粘結(jié)劑（TiC、TiN、Al2O3等），一般加金屬粘結(jié)劑的PCBN刀片具有較好的韌性，而加陶瓷粘結(jié)劑的PCBN刀片具有較高的耐熱性。

　　目前，PCBN刀具坯料可分為兩大類:一類是整體聚晶體，由無數(shù)細(xì)小的CBN單晶體在高溫高壓下燒結(jié)而成；另一類是以硬質(zhì)合金為基體、高溫高壓下在其表面燒結(jié)一層CBN微粉制成的復(fù)合片。PCBN復(fù)合片將PCBN材料的高硬度、高導(dǎo)熱性及高熱化學(xué)穩(wěn)定性和硬質(zhì)合金基體的強(qiáng)度與韌性結(jié)合在一起，因而具備較高的耐磨性和一定的抗沖擊破損能力。但隨著切削速度的提高，切削過程中產(chǎn)生大量的切削熱，而硬質(zhì)合金和PCBN材料的熱膨脹系數(shù)差別太大，在高溫下容易導(dǎo)致脫層，從而影響PCBN 復(fù)合片的抗沖擊破損能力。表1所示為公司系列CBN刀片的技術(shù)性能指標(biāo)。

　　從表1可以看出PCBN材料的發(fā)展過程是由復(fù)合片發(fā)展到整體式刀片，其中，CBN100為CBN10的改進(jìn)型，而CBN300為CBN30的改進(jìn)型。CBN300材料的CBN含量達(dá)90%、硬度高、紅硬性好，切削加工時有很好的耐磨性和高的熱穩(wěn)定性；形狀為整體式，使刀片具有高的機(jī)械強(qiáng)度，可用于斷續(xù)切削，在加工鑄鐵材料時具有很高的刀具壽命。

　　CBN300首次解決了超硬材料不能用于銑削加工的難題，實現(xiàn)了PCBN刀片從車削應(yīng)用到銑削應(yīng)用的飛躍。CBN300在銑削加工灰鑄鐵時的刀具壽命可達(dá)到普通PCBN刀片的4倍；與陶瓷刀片比較，采用CBN300刀片可以提高刀具壽命50倍，切削速度可達(dá)2000m/min。通過在上海通用汽車公司(SGM)的發(fā)動機(jī)柔性生產(chǎn)線上的應(yīng)用表明，采用CBN300銑削發(fā)動機(jī)缸體平面，銑削線速度Vc高達(dá)1600m/min，不僅大大提高了發(fā)動機(jī)缸體的加工效率，而且節(jié)省了大量的設(shè)備投資，提升了發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線的柔性度。