高速銑削加工技術及刀具現狀

　　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，生產效率低下、生產節(jié)拍慢，生產成本高，如今，隨著新設備、新工藝的不斷采用，發(fā)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(tǒng)的專機生產線，向著高速銑削的方向發(fā)展，許多加工中心機床的主軸轉速已可達數萬轉。另外，為了提高生產效率，逐步減少或合并加工工序，如取消半精加工、粗加工后直接進行精加工、面粗銑后一次精銑達到要求，且在粗銑中盡可能多地切除加工余量、然后進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量。

　　隨著數控設備與高速銑削工藝的推廣使用，數控刀具材料也發(fā)生了巨大變化。近年來，在發(fā)動機缸體、缸蓋加工中主要采用以硬質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，加工效率提高了數倍，為銑削加工全面進入高速銑削階段起到了重要作用。隨著涂層技術的發(fā)展，硬質合金刀具的耐磨性和韌性得到了大幅度的提高，目前，國外硬質合金可轉位刀片的涂層比例已達70%以上。

　　另外，隨著陶瓷材料組成結構和壓制工藝的不斷改進，陶瓷和金屬陶瓷刀具材料品種增多,強度和韌性逐步提高,擴大了應用領域和加工范圍,在發(fā)動機灰鑄鐵缸體、缸蓋的精加工、半精加工中能夠代替硬質合金,切削速度可達硬質合金刀具的2-5倍，提高了加工效率和產品質量。

　　近年來，隨著發(fā)動機缸體、缸蓋銑削加工向更高的銑削速度發(fā)展，硬質合金刀具與陶瓷刀具已難以滿足使用要求，特別是當銑削速度達到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、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、高導熱性及低摩擦系數等特點，在端面銑削鋁合金缸體、缸蓋時，可實現高速、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用效果，能夠實現“以銑代磨”，與硬質合金刀具相比，其切削速度可提高一個數量級。

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

　　PCBN是將精選的CBN晶體在高溫高壓下燒結而成的超硬材料。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中的粘結劑有金屬粘結劑（Co、Ni、Ti、Al等）和陶瓷粘結劑（TiC、TiN、Al2O3等），一般加金屬粘結劑的PCBN刀片具有較好的韌性，而加陶瓷粘結劑的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，由無數細小的CBN單晶體在高溫高壓下燒結而成；另一類是以硬質合金為基體、高溫高壓下在其表面燒結一層CBN微粉制成的復合片。PCBN復合片將PCBN材料的高硬度、高導熱性及高熱化學穩(wěn)定性和硬質合金基體的強度與韌性結合在一起，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，切削過程中產生大量的切削熱，而硬質合金和PCBN材料的熱膨脹系數差別太大，在高溫下容易導致脫層，從而影響PCBN 復合片的抗沖擊破損能力。表1所示為公司系列CBN刀片的技術性能指標。

　　從表1可以看出PCBN材料的發(fā)展過程是由復合片發(fā)展到整體式刀片，其中，CBN100為CBN10的改進型，而CBN300為CBN30的改進型。CBN300材料的CBN含量達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，使刀片具有高的機械強度，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，實現了PCBN刀片從車削應用到銑削應用的飛躍。CBN300在銑削加工灰鑄鐵時的刀具壽命可達到普通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2000m/min。通過在上海通用汽車公司(SGM)的發(fā)動機柔性生產線上的應用表明，采用CBN300銑削發(fā)動機缸體平面，銑削線速度Vc高達1600m/min，不僅大大提高了發(fā)動機缸體的加工效率，而且節(jié)省了大量的設備投資，提升了發(fā)動機生產線的柔性度。