我國（guó）發動機（jī）缸體缸蓋高速銑削技術與（yǔ）刀具現狀

      傳統的發（fā）動機缸體、缸蓋銑削加工大量采用專機生產線，生產（chǎn）效（xiào）率低下、生產節拍慢、生產成本高。如（rú）今（jīn），隨（suí）著新設備、新工藝的不斷采用（yòng），發動機缸體、缸蓋的銑削加工逐漸采用數控高速加工中心以替代這些傳統的專（zhuān）機生產線，向（xiàng）著高速銑削的方向發展，許（xǔ）多加工中心機床的主軸轉速可達數萬轉。

      隨著數控設備與高速銑削（xuē）工藝的推廣（guǎng）應（yīng）用，刀具材料也發生了巨（jù）大變化。近年來，在發動機缸體、缸蓋加工中，主要采用以（yǐ）硬質（zhì）合金材料為主的各種銑刀代替了傳統的高速鋼刀具，銑（xǐ）削速度大幅提高，加工效率（lǜ）提高了數倍，為銑削加（jiā）工全麵進入高速銑削階段起到了重要作用。隨著（zhe）塗層技（jì）術的發展，硬質合（hé）金刀具（jù）的耐磨性和韌性得到了大幅度的提高（gāo），不僅開（kāi）發了適應高速銑削、幹切削、硬（yìng）切削的耐熱性更好的塗層，而且通過對塗層（céng）結構的創新，開發了納米、多層結構，大幅度提高了塗層硬度和（hé）韌性，推動（dòng）了硬質合金刀具的更廣泛應用。

      然而，隨著發動機（jī）缸體、缸蓋銑削加工向著更（gèng）高（gāo）的銑削速（sù）度發展（zhǎn），硬質合金刀具以及陶瓷等刀具已（yǐ）難（nán）以滿足使用要求，特別是（shì）當銑削線速（sù）度（dù）達到5000m/min以上時（shí），聚晶金（jīn）剛石（PCD）和聚晶立方氮化硼（PCBN）將成為可供選擇的（de）兩種（zhǒng）超（chāo）硬刀具材料。

       PCD/PCBN超硬刀具的性能特點及應（yīng）用

      目前，國外先（xiān）進國家（jiā）已經大規模（mó）投入使用PCD/PCBN超（chāo）硬刀具（見圖1），這與國（guó）外高速數控機床20年來的快速發展是（shì）分不開的，尤其是在汽車工業中，國外PCD/PCBN刀具已經占到刀具市場份額的30%以上。PCD/PCBN刀具以其高（gāo）硬度、高耐磨性、良好的導熱性和低摩（mó）擦（cā）係數等優異性能，必將（jiāng）如同高速數控機床在（zài）中（zhōng）國的發展過程一樣，是大（dà）勢所趨。圖2所示為（wéi）安裝了超（chāo）硬刀片的可轉位（wèi）麵銑刀。

      聚晶立方氮化硼PCBN是目前（qián）利用人工方法合成（chéng）的硬度僅次（cì）於金（jīn）剛石的新型刀（dāo）具材料，由於它具有遠遠高於（yú）其他材料的硬度，因此它與金剛石統稱（chēng）為超硬刀具材料。PCBN材料的（de）硬度（dù）在4000～6000HV，具（jù）有很高的（de）熱穩定（dìng）性、高溫硬度和抗氧化能力，在銑削鑄鐵遇到夾渣（zhā）時也不會發生崩刃；其楊（yáng）氏模量約（yuē）為750GPa，高（gāo）於WC、TiC、AL2O3等材料；密度較小，約為3.48×l03kg/m3，與AL2O3、Si3N4密度相近，而熱膨脹係數較（jiào）小，因此，PCBN在（zài）高溫狀態下基本不（bú）會產生變形。基於上述優點，PCBN刀具能夠滿足高速切削、幹式切削（xuē）、硬態切削等綠色（sè）製造的要求，非常適（shì）宜高速幹式切削鑄鐵（tiě）類（lèi）缸體、缸蓋等工件。

      聚晶金剛石PCD是英文Polycrystallinediamond的簡稱，它與單晶金剛石相對應。PCD刀具具有硬度（dù）高、抗（kàng）壓強度高（gāo）、導熱性及耐磨性好等特性，可在（zài）高速切削中獲得很高的（de）加工精度和加工效率。PCD刀具（jù）材料的硬度可達8000HV，為硬（yìng）質合金的（de）80～120倍（bèi）；導熱係數為700W/mK，因此PCD刀具熱量傳遞迅速；摩擦係數一般僅（jǐn）為0.1～0.3（硬質合金的摩擦係數為0.4～1），因此PCD刀具可顯著減（jiǎn）小切（qiē）削力；熱膨脹係數僅為（0.9～1.18）×10－6，僅相當於硬質合金的1/5，因此PCD刀具（jù）熱變形小，加工精度高；PCD刀具與非鐵金屬和非金屬材料間的親和力（lì）很小，在加（jiā）工過程中切屑不易粘結在刀尖上形成（chéng）積屑瘤（liú），所以PCD刀（dāo）具在加（jiā）工（gōng）鋁、鎂、銅等金屬及其合金時表現出了優良的性能。

      汽車工業是（shì）PCD/PCBN刀具最好的應用領域。近年來，隨著我國汽車工業的不斷發展，汽車行業（yè）已成為（wéi）國民經濟的重要支柱，PCD/PCBN刀具（jù）配合高速數控機床使用，能縮短加工時間達到一半以上，同時也減少非加工時間，增加機床使用壽命，提高加工效率。目前，國外PCD/PCBN刀具在氣缸體、氣缸（gāng）蓋、車軸、變速器、軸承蓋等零件加工上應用很多。表1為（wéi）PCD/PCBN刀具在各行業的應用情況。

      PCD/PCBN刀具高速（sù）銑削發動機缸體缸蓋（gài）

      發（fā）動機缸體加工中，粗銑缸體幾（jǐ）個大麵是效率最（zuì）低（dī）、生（shēng）產成本最高的加工工序。圖3、圖4所示為鑄鐵發動機缸體與鋁合金發動（dòng）機（jī）缸體。目前，以塗層硬質合金麵銑刀為主的加工方式已不（bú）能適應日（rì）益增長的效率競爭的要求。

      為了解決（jué）這個問題，對於鑄鐵類（lèi）發動機（jī）缸（gāng）體，可以應（yīng）用整體PCBN銑刀片（piàn）高進給（gěi）幹（gàn）式粗銑平麵，可有效提高缸體的加工質量與加工（gōng）效（xiào）率。如上海通用汽車公司（SGM）的發動機柔性生產（chǎn）線上應用高性（xìng）能PCBN刀具（jù）銑（xǐ）削發（fā）動機缸體平麵，銑削線速度高達1500～2000m/min，不僅（jǐn）大大提高了發動機的加工效（xiào）率與（yǔ）加工質量，縮短了加工時間，也提升了發動機生產線的適（shì）應（yīng）能力。表2為PCBN與（yǔ）硬質合金的切削參數對比。圖5為PCBN麵銑刀（dāo）高速銑削灰鑄鐵發動機（jī）缸體。

      對於鋁合金材料的發動機缸體缸蓋，則廣（guǎng）泛采用PCD麵銑刀進（jìn）行高速銑削加工，使其加工（gōng）效率與加工質量得到（dào）極大提高。圖6所示為（wéi）可轉位（wèi）PCD麵銑刀，其具體參數為：刀具直徑63mm，轉速19705r/min，每齒進給量0.12mm，齒（chǐ）數為5，總進給速度達12000mm/min，進給行（háng）程為3033mm，消耗時間15.2s，刀具壽命為10000件。而（ér）對於相同規格的可轉位塗層硬質合（hé）金麵銑刀，其具體參數（shù）為：刀具直徑63mm，轉速4000r/min，每齒進給量0.2mm，齒數為6，總（zǒng）進給速度4800mm/min，進給行程3033mm，消耗時間37.9s，刀具壽命為800件。

      由對比可知，在其他條件相同的前提下，PCD麵銑刀消耗的（de）時（shí）間（jiān）比可轉位硬質合金麵銑刀消耗的時（shí）間減少約60%，而刀具壽命則為原來的12倍多，大大減（jiǎn）輕（qīng）了刀具調整等輔助勞動的強度並節省（shěng）了時間。另外，還可以適當采用帶修光刃的刀片，使加工效率、表（biǎo）麵質量得到進一（yī）步提升。圖（tú）7所示為使用PCD麵銑（xǐ）刀精銑鋁合金缸蓋燃燒室麵。

      結語

      PCD/PCBN代表刀具材料的發展方向，是（shì）一種較理（lǐ）想的切（qiē）削刀具材（cái）料，其優良的性能及（jí）高效優質的加工早已在國（guó）內外得到普遍認可與證實，以這種材料來替代不可再（zài）生而（ér）且漸漸匱乏的硬質合金材料刀具是必然趨勢。相信（xìn）隨著高速加工技術的不斷發展，以（yǐ）及PCD/PCBN刀具性能的不斷改善，成本的（de）進一步降低，其應用必將更為廣泛。