我國（guó）發動機缸體缸蓋高速銑削技術與刀具（jù）現狀

      傳統（tǒng）的發（fā）動機缸體、缸蓋銑削加工大量采用專機生產線，生產效率低（dī）下、生產節拍慢、生產成本高。如（rú）今（jīn），隨（suí）著新設備、新工藝（yì）的不斷采（cǎi）用，發動機缸體、缸蓋的銑削加工逐漸采用數控高速加（jiā）工中心以替代這些（xiē）傳統（tǒng）的（de）專機生產線，向著高速銑（xǐ）削的方向（xiàng）發展，許多（duō）加（jiā）工中心機床的主軸轉速可達數萬轉。

      隨著（zhe）數控設備與高速（sù）銑削工藝（yì）的推廣應用，刀具材料也發生了巨大變化。近年來（lái），在（zài）發動機缸體、缸蓋加工中，主（zhǔ）要采用以硬質合金材料為主的各種銑刀代替了傳統的高速鋼刀（dāo）具，銑削速度大（dà）幅提高，加工效率（lǜ）提高（gāo）了數（shù）倍，為銑削加工（gōng）全麵進入（rù）高速銑削階段起到了重要（yào）作用。隨著塗層技術的（de）發展，硬質合金（jīn）刀具的耐磨性（xìng）和韌性（xìng）得到了大幅度的提高，不僅開發了適應高速銑削、幹切削、硬切削的耐熱性更好的（de）塗層，而且通過對塗層結（jié）構的創（chuàng）新，開發（fā）了納米、多層結構，大幅度提高了塗層硬度和韌（rèn）性，推（tuī）動了硬質合金刀具的更廣泛應用。

      然而，隨著發動機缸體、缸蓋銑削加工向著更高的銑削速（sù）度發展，硬質合金刀具以及陶瓷等刀具已難以滿（mǎn）足（zú）使用要求，特別是當銑削線（xiàn）速度達到5000m/min以上時，聚晶金剛石（PCD）和聚晶（jīng）立方氮化硼（PCBN）將成為可供選（xuǎn）擇的兩種超硬刀具材料（liào）。

       PCD/PCBN超硬刀具的性能特點（diǎn）及應用

      目前，國外先進國家（jiā）已經大規模投入使用PCD/PCBN超硬刀具（jù）（見圖1），這與國外高速數控機床20年來的（de）快速發展是分不開的，尤其（qí）是在汽（qì）車工（gōng）業中，國外PCD/PCBN刀具已經占到刀具市（shì）場份額的30%以上。PCD/PCBN刀具以其（qí）高硬度、高耐磨性、良好的導熱性和低摩擦係數等優異性能，必將如同高速數控（kòng）機（jī）床在中國的發展過程一樣，是大勢所趨。圖2所示為（wéi）安裝了超硬刀片的可轉位麵銑刀。

      聚晶立方氮化硼PCBN是目前利用人工方法合成的（de）硬度僅次於金剛石的新型刀具材料，由於它具有遠遠高於其他材料的硬度，因此它與金剛石統稱為超硬（yìng）刀具材料。PCBN材料的硬度在4000～6000HV，具有很高的熱穩定性、高（gāo）溫硬度（dù）和抗氧化能力，在（zài）銑削鑄鐵遇到夾渣時也不會發生崩刃；其楊氏模量約為750GPa，高（gāo）於WC、TiC、AL2O3等材料；密度較小，約（yuē）為3.48×l03kg/m3，與AL2O3、Si3N4密度相近，而熱膨脹係數較小（xiǎo），因（yīn）此，PCBN在高溫狀態下基本不會產生變形。基於上述優點，PCBN刀（dāo）具能夠滿足高速切削、幹式（shì）切削（xuē）、硬態切削等（děng）綠色製造的（de）要求，非常適（shì）宜高速幹式切削鑄鐵類缸體（tǐ）、缸蓋等工件。

      聚晶金剛石PCD是（shì）英（yīng）文（wén）Polycrystallinediamond的（de）簡稱，它與單（dān）晶金剛石相對（duì）應。PCD刀具具有（yǒu）硬度高、抗壓強度高（gāo）、導熱性及（jí）耐磨（mó）性好等特性，可在（zài）高速（sù）切削中獲得很高的（de）加工精（jīng）度和加工效率。PCD刀具材（cái）料的（de）硬度可（kě）達8000HV，為硬（yìng）質合金的80～120倍；導熱係數為700W/mK，因此（cǐ）PCD刀具熱量（liàng）傳遞迅速；摩擦係數一般僅為0.1～0.3（硬質合金的摩擦係數為（wéi）0.4～1），因此PCD刀具可顯著減小（xiǎo）切削力；熱（rè）膨脹（zhàng）係數僅為（0.9～1.18）×10－6，僅相當於硬質合金的1/5，因此PCD刀具熱變形小，加工精度高；PCD刀具與非鐵（tiě）金屬和非金（jīn）屬材料間的親和力很（hěn）小（xiǎo），在加工過程中切屑不易粘結在刀尖上形成積屑瘤，所以PCD刀具在加工鋁、鎂、銅等金屬及其合金時表現出了優良的性能。

      汽車工業（yè）是PCD/PCBN刀具最好的應用領域。近年來，隨著我國汽車工業的不（bú）斷（duàn）發展，汽車行業（yè）已（yǐ）成為國民（mín）經濟的重要支（zhī）柱，PCD/PCBN刀具配合高速（sù）數控機床使用，能縮短加工時間達（dá）到一半以上，同（tóng）時也減少非（fēi）加工時間（jiān），增加機床使用壽命，提（tí）高加工效（xiào）率。目前，國外PCD/PCBN刀具在氣缸體、氣缸蓋、車軸、變速器、軸（zhóu）承蓋等零件加工上應用很多。表1為PCD/PCBN刀具在各行業（yè）的應用情（qíng）況（kuàng）。

      PCD/PCBN刀具高速銑削發動機（jī）缸（gāng）體（tǐ）缸蓋

      發動機缸體加工中，粗銑缸體幾個大麵是效率最低（dī）、生（shēng）產成（chéng）本最高（gāo）的加工工序。圖3、圖4所示為鑄鐵（tiě）發動機缸體與鋁合金發動機缸體。目前，以塗層硬質合金麵銑刀為主的加工方式已不能（néng）適應日益增長的效率競（jìng）爭的（de）要（yào）求。

      為了解決這個（gè）問題，對於鑄鐵類發動機缸體，可（kě）以應用整體PCBN銑（xǐ）刀片高進給幹式粗銑平麵，可（kě）有效提高缸體的加工質量與加工效率。如上海通用汽（qì）車公司（SGM）的發（fā）動機柔性生產（chǎn）線上應用（yòng）高性能PCBN刀具（jù）銑削發動機缸體平（píng）麵，銑削線（xiàn）速（sù）度高達1500～2000m/min，不僅大大提高了發動機的加工效率與加工質量，縮短了加工時間，也提升了發（fā）動機生產（chǎn）線的適應能力。表2為PCBN與硬質合金的切（qiē）削（xuē）參數對比。圖5為PCBN麵銑刀高速銑削灰鑄鐵發動機缸體（tǐ）。

      對於鋁合金材料的發動機缸體（tǐ）缸蓋，則廣泛采用PCD麵銑刀（dāo）進行高速銑削加工，使（shǐ）其加工效率與加工質量（liàng）得到極大（dà）提高。圖6所示為可轉位（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（liàng）0.12mm，齒數為5，總進（jìn）給速度達12000mm/min，進給（gěi）行程為3033mm，消耗時間15.2s，刀具壽（shòu）命為10000件。而對於相同規格的可（kě）轉位塗層硬質合（hé）金麵銑刀，其具體參數為：刀具直徑63mm，轉速4000r/min，每齒進給量0.2mm，齒數為6，總進給速度4800mm/min，進給（gěi）行程3033mm，消耗時（shí）間37.9s，刀具（jù）壽命為800件。

      由對比可知，在其他條件相同的前提下（xià），PCD麵銑刀消耗的時（shí）間比可轉（zhuǎn）位硬質（zhì）合金麵銑刀消耗的時間減少約60%，而（ér）刀具壽命則為原來的12倍多，大大（dà）減輕了刀具調整（zhěng）等輔（fǔ）助勞動的強度並節（jiē）省了時間。另外，還可以適當采用（yòng）帶修光刃的刀片，使加工效率、表麵質量得到進一步提（tí）升。圖（tú）7所（suǒ）示為使用PCD麵銑刀精銑鋁合金缸蓋燃（rán）燒室麵。

      結語

      PCD/PCBN代表刀具材料的（de）發展方（fāng）向，是一種較（jiào）理想的切削刀具材料，其優良的性能及高效優質的加工早（zǎo）已在國內外（wài）得到普遍認可與證實，以這（zhè）種材料來（lái）替代（dài）不可再生而且漸（jiàn）漸匱乏的（de）硬質合（hé）金材料刀具是必然趨勢。相信隨著高速加工技術的不斷發展（zhǎn），以及PCD/PCBN刀具性能的不斷改（gǎi）善，成本的進一步降低，其應用必將（jiāng）更為廣泛。