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实现高效加工的刀具解决方案 |
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作者：长城汽车动力事业部 高德录 来源：AI汽车制造业 |
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高速、高效加工中心的使用使金属加工踏上了高速、高效之路，但能否行之有效，还要看刀具的选择，因为刀具是实现高速、高效切削的最基本、最有效和最活跃的因素。我们接触了世界著名刀具厂家，研究了发达国家平均刀具费用和生产成本等各种相关资料，发现降低30％的刀具费用，可降低1％的单件生产成本；提高50％的刀具寿命，可降低1％的生产成本；而提高20％的加工效率，则可降低15％的生产成本。这充分说明利用现代切削技术，选择高速、高效刀具，充分发挥机床的性能和效率，实现高速、高效切削，才是加工中心柔性生产线组织生产提高效率、降低生产成本的正确之路。
先进刀具特性
加工中心采用的高速、高效刀具除应具备一般刀具应具备的良好的硬度和耐磨性、高的强度和韧性等性能外，还应该具备：
1. 更高的可靠性——切削稳定，质量一致，换刀次数少，寿命长。
2. 更高的安装精度和重复定位精度，好的互换性和快换性。
3. 系列化、标准化和通用化，尽量采用机夹可传位刀具和多功能复合刀具。
4. 良好的断屑、卷屑和排屑性能，确保切屑不缠绕在刀具和工件上，不破坏已加工表面，不妨碍切削液的浇注。
可供高速、高效加工中心选择的刀具品种很多，下面几种材料的刀具是常用的刀具：
1. 陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、耐热性和化学稳定性优良的特点，加工中不易与金属粘接，在数控加工中获得广泛应用；其中氧化铝基陶瓷刀具适用于碳钢、合金钢和铸铁材料的加工；氮化硅基陶瓷刀具更适用于合金铸铁、冷硬铸铁等高硬材料的加工，切削速度可达500～1000m/min。
2. 聚晶金刚石（PCD）刀具加工铝及铝合金材料有极高的寿命和良好的精度，切削速度可达1000～4000m/min，美国波音公司高速铣削铝合金切削速度已高达5000～7500m/min。与PCD相比，CVD金刚石刀具硬度更高、耐磨性更好、摩擦系数更小、化学稳定性和热稳定性更强，寿命较PCD长2～3倍，缺点是韧性不如PCD。CVD金刚石刀具被认为是汽车发动机产品加工中应用前景广阔的新一代刀具材料，尤其是铝及铝合金材料的加工。
3. 立方氮化硼（CBN）、聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具材料，同PCD、VCD相比有更高的热稳定性和优良的化学稳定性，在1 200～1 300℃环境下也不与铁系材料发生反应；其硬度、耐磨性与金刚石接近，非常适用于加工铸铁和淬硬钢，被加工材料的硬度越高越能体现立方氮化硼刀具的优越性，由于在加工精度，切削效率，刀具寿命等各方面具有无可比拟的优越性，立方氮化硼、聚晶立方氮化硼刀具材料越来越受到世界各国的重视。
4. 涂层刀具，按涂层方法不同可分为CVD和PVD涂层刀具，根据涂层材料的性质又分为“硬”涂层刀具和“软”涂层刀具，根据基体材料不同可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具及陶瓷和超硬材料涂层刀具，最近又开发了纳米涂层刀具。涂层刀具可以灵活地选择基体材料和涂层材料使刀具获得需要的性能，提高加工效率、改善加工精度、延长刀具寿命和降低加工成本。
刀具应用案例
近年来，长城公司轿车发动机厂采用世界著名机床厂家的高速、高效加工中心组建了3条柔性机加生产线，与世界著名刀具厂家美国肯纳公司一起，结合所加工的产品精心选择刀具，正在努力实现高速高效切削。
1. KSCM-AluMill面铣刀
图1：KSCM-AluMill面铣刀
在缸体和缸盖生产线，我们将肯纳KSCM-AluMill面铣刀用于铝合金缸体和缸盖的平面铣削加工。此刀具由钢制刀盘和铝制刀体组成，在保证足够刚性的前提下减轻了重量，而且双金属结构也减少了加工振动。该刀具具有高金属去除率、低加工毛刺及高加工效率等特点，非常适用于高速切削。KSCM-AluMill面铣刀有5种形式的刀夹，不同刀夹相互搭配用于粗铣和精铣，可达到不同的表面粗糙度，也可同时安装粗铣和精铣刀夹，粗精加工一次完成，缩短加工时间，提高工作效率。
实际加工中我们选用了适用于加工低硅铝合金，具有高耐磨性、高寿命的KD1415和KD1420两种PCD切削材料刀夹。KD1415刀片硬度较高，适于加工余量均匀，硬度一致的表面，因此将其用于缸体、缸盖上下和前后表面的精加工；KD1420刀夹，刀片韧性较好，适用于余量不均匀，硬度不一致的表面，将其用于粗加工。精加工后，缸体、缸盖上下面、前后面等大平面的平面度误差最大不大于0.02mm，最小达到0.0034mm，平均平面度误差不大于0.01mm，表面粗糙度低于Ra0.8，加工节拍满足要求。KSCM-AluMill面铣刀更换刀夹时，仅做轴向调整，不需要径向调整，具有调整方便、调整时间短和调整精度高的特点，在长城公司实际使用时实现了轴向调整偏差不大于0.003mm，使切削负荷均匀分布到每个刀齿上，有效地延长了刀具寿命。经几个月的试加工，KSCM-AluMill面铣刀铝合金加工效果良好。
仅举缸体顶、底面精铣为例，顶面精铣刀盘Φ100、Z12（9个精铣刀夹、3个修光刀夹），修光量0.008＋0.002mm，整体焊接PCD刀片；加工参数：V＝2500m/min，fz=0.12mm/z，Vf＝11.5m/min；精铣后实测试件，表面粗糙度Ra0.8，平面度误差＜0.004，节拍满足要求。底面精铣刀盘Φ200、Z24（18个精铣刀夹，6个修光刀夹），加工参数：V＝2500m/min，fz=0.12mm/z，Vf=14.3m/min；加工后实测试件，表面粗糙度Ra0.8，平面度＜0.004mm，节拍满足要求。
2. 复合加工刀具
复合加工是提高加工效率的一个非常有效的手段，几个加工内容用一把刀在一次加工中完成，减少了换刀次数，节约了辅助时间，提高了生产效率。阶梯钻是最简单也是最常见的一种复合加工刀具，带倒角刃的钻头就是最简单的阶梯钻。在缸体、缸盖孔系加工中，孔口需要倒角的钻孔加工都选用了这种简易阶梯钻，取得了良好的效果。例如，肯纳直槽180°顶角TX阶梯钻头，钻孔时径向力几乎为零，4条直线刃带沿圆周对称分布，导向性好，兼具修光作用，使钻孔的直线度和位置度得到大幅提高。缸体和缸盖孔系加工中，选用的另一种复合钻头是圆周均布3个切削刃的TF钻头，它钻芯比二刃钻头厚、强度高，弥补了硬质合金韧性差的弱点；刀尖前端特殊形状，可自动定心，不需加工中心孔；切削刃多使每转进给量增大（切铝时可达20m/min），强度高，可进行高速切削（切铝时最高可达1000m/min），从而大幅度缩短了加工时间，提高了加工效率，尤其适于深孔加工，尺寸精度最高可达H9，位置精度最高可达±11μm，粗糙度Rz20～25。
在长城曲轴生产线，选用了肯纳整体硬质合金SE阶梯钻头，与普通高速钢钻头相比有更高的钻孔圆度，高速钢钻头的钻孔圆度最高可达到20μm，而SE钻头的钻孔圆度仅为前者的1/5。按照这一钻孔形状精度，我们完全可以考虑免去扩孔这一工序，在某种场合，甚至可以替代要求不高的铰孔（譬如挤压螺纹的螺纹底孔）。这种钻头的特点是横刃修磨的较短，可减少轴向力近50％；钻芯附近前角为正值，因此切削刃更锋利；槽形为抛物线型，钻芯厚度更大，钻头强度更高、刚性更强；有两个喷油冷却孔，冷却条件好；圆弧形切削刃和排屑槽型布置合理，便于切屑断裂成小块顺利排出。该钻头用于曲轴前后端钻孔，效果良好。
图2：TF钻头
图3：SE钻头
图4：TX钻头
3. 精密孔加工刀具
现代工业的飞速发展对孔的尺寸精度、几何形状及表面粗糙度提出了更高的要求，尤其是汽车工业，即要求高精度又要求大批量，因而迫切需要高效率的精密孔加工刀具。金刚石铰刀正是适应这种需要而发展起来的一种精密刀具。在缸盖生产线导管和座圈底孔等工位，使用了肯纳多刃整体焊接PCD铰刀；缸体缸盖定位孔的精加工，使用了肯纳Bencere分体式可转位PCD铰刀，实现了高速高效切削，充分发挥了高速加工中心的性能，大大提高了加工效率。现场实际抽测部分产品?8、?10和?13三组孔，尺寸变动范围在0.014之内，尺寸精度最大误差不到公差的60％，平均误差小于0.005mm，孔的表面粗糙度＜Ra0.8。
缸体曲轴孔精加工和缸盖凸轮轴孔精加工使用了肯纳Bencere QUATTRO-CUT刀具，4刃可转位刀片安装在高精度锯齿状刀窝中，尺寸精度控制在μ级。与传统分体式可转位刀具相比，QUATTRO-CUT刀具只需调整刀片径向高度，不需要调整刀片背锥，缩短了调整时间。按抽测记录，精镗曲轴孔。尺寸精度加工误差＜0.018mm，同轴度误差＜0.016mm，最小误差仅0.0021mm，粗糙度＜Ra1.6； 精镗凸轮轴孔，同轴度误差＜0.007，最小误差为0.0014mm，圆度误差＜0.002mm，位置度误差＜0.063，最小误差为0.0148mm，尺寸精度偏差＜0.018mm，最小偏差为0.0044mm。两组孔的加工都能满足节拍要求，试加工至今已累计生产几百件，效果良好。
4. 缸孔和曲轴加工刀具
长城公司缸体生产线上的缸体，缸孔镶铸铸铁缸套，缸孔粗加工是大余量的铸铁加工，需要刀具有高的强度和韧性，经仔细斟酌使用了肯纳Fix-Perfect刀具。Fix-Perfect刀具系统是一个不同正负角组合的产品系列，其特点在于：刀片负的径向前角和正的轴向前角，正的轴向前角减小了轴向切削力，并且与负的径向前角形成了很好的剪切作用，便于断屑。正的轴向前角使切削力向着主轴，使铣刀工作更稳定；而且，负的径向前角能使最早切入工件的“冲击点”离开刀尖，对刀尖起保护作用。刀片立装，刀刃的下部有较强的实体支承，增加了刀刃强度。Fix-Perfect刀具加工精度、表面粗糙度都不错，惟一不足就是寿命太低。
图5：Fix-Perfect刀具
在曲轴生产线上，主轴颈及前后端轴颈的加工全部使用了KM工具系统。KM工具系统由美国肯纳金属（Kennametal）公司及德国WIDIA公司联合研制，其基本形状与HSK很类似，也是采用了1:10的空心短锥配合和双面定位方式。其主要的差别在于夹紧机构的不同，KM刀柄是使用钢球斜面锁紧，夹紧时钢球沿拉杆凹槽的斜面被推出，卡在刀柄上的锁紧孔斜面上，将刀柄向主轴孔拉紧，刀柄产生弹性变形使刀柄端面与主轴端面贴紧。KM工具系统具有高刚度、高精度、快速装夹和维护简单等优点。试验证实，KM刀柄的动刚度比HSK系统更高。
图6：QUATTRO-CUT刀具
图7：KM工具系统
在曲轴主轴颈、前后端轴颈的车削加工中使用了KC9315等涂层硬质合金刀片，该刀片CVD复合涂层中有很厚的K-MTCVD氧化铝层，抗磨损性能极佳，厚的KMT CVD TiCN涂层确保了长寿命，可以进行高速连续切削或者轻微断续切削，特别适合加工灰口铸铁或延展性铸铁。在曲轴加工中切削速度达到223m/min，节拍满足要求，实现了高速、高效加工。
图8：KM工具系统工作状态
结语
高速加工中心组成的生产线的高速、高效切削，是一个系统工程，受机床、刀具、被加工材料、冷却润滑和切削参数等多种因素影响，只有大量地试验、充分地采集数据，认真仔细地分析，不断摸索规律，将各种因素最佳组合，才能获得预期的加工效果。 (end)
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(9/28/2008) |
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