汽車工業(yè)對金剛石和CBN工具的技術進步和市場拓展起到了巨大的推動作用，并且今后仍將是金剛石和CBN工具的主要應用領域。本文討論了汽車工業(yè)的發(fā) 展趨勢、當今的金剛石和CBN工具技術及其在現代生產線上的應用。本文還對這種預期將應用于未來生產流程的先進加工技術作了概略介紹，并預測了金剛石和 CBN工具今后的發(fā)展，這種發(fā)展對于滿足汽車技術的未來趨勢是必不可少的。
　　
　　過去8年來（1997年－2004年），全球汽車總產量增長了約14％。北美、歐洲和日本的汽車產量增長很小，而在亞洲和其他地區(qū)，增長卻非 常顯著。目前最大的汽車生產國包括美國、日本、德國和其他西歐國家以及中國。所謂“金磚四國”（巴西、俄羅斯、印度和中國）的汽車產量正在顯著增長，在這 些國家的營銷方針將成為今后幾年增長戰(zhàn)略的關鍵因素。
　　
　　如今，汽車制造商的基本戰(zhàn)略是開發(fā)與應用可適應目前汽車發(fā)展趨勢（如環(huán)境友好型、節(jié)能型汽車，安全性、信息通訊和全球化等）的各種先進技術。 圖2所示為汽車技術的各種發(fā)展趨勢以及源于新的生產要求的加工需求。為了滿足新的生產要求，需要采用高效、靈活和對環(huán)境友好的制造技術?？偟膩碚f，要求這 些加工技術應能實現高速度、高效率和高精度?？紤]到成本因素和市場基礎，目前的主流汽車動力系統(tǒng)（由發(fā)動機和傳動箱組成）在可以預見的未來預計仍將保持其 核心技術的地位?；旌蟿恿ζ噷l(fā)動機與電動機配合使用，但電動機的應用使其成本始終居高不下。可削減混合動力汽車高成本的技術進步將是決定此類汽車普及 率的一個關鍵因素。完全由電動機提供動力的汽車（如燃料電池汽車）也面臨許多問題，其中包括汽車系統(tǒng)的復雜性、缺乏必需的市場基礎以及高成本等等。在現階 段，推出這些汽車仍將主要基于試驗性質，其目的是積累所需要的技術?？傊瑢@些汽車產品的加工需求包括加工新的形狀、新的材料和超精加工，這些加工技術 是在傳統(tǒng)的發(fā)動機和傳動箱加工中未曾使用過的。
　　
　　金剛石和CBN工具在汽車工業(yè)的技術現狀
　　
　　眾所周知，汽車工業(yè)是工具制造商最重要的市場。從近年來（1997年－2005年）日本汽車和工具的年產值變化情況可知，工具總產值的變化與 汽車總產值的變化具有較好的相關性。2005年與1997年相比，汽車總產值增長了約13％，而工具總產值增長了約13.6％。從工具的種類來看，硬質合 金工具的產值增長率居首，其次是金剛石和CBN工具。與之相比，專用工具和磨輪的產值卻有所下降。與硬質合金工具相比，金剛石和CBN工具的應用范圍較窄 可能是其增長率較低的原因之一。這也表明，拓展金剛石和CBN工具的應用范圍是擴大其需求的一個關鍵因素。
　　
　　在同一時期（1997年－2005年），從日本的金剛石和CBN工具年產值的變化情況可知，2005年與1997年相比，金剛石和CBN工具 的總產值僅有微量增長。其中，CBN工具的產值增長率最大，約為70％；金剛石刀具次之；接下來是金剛石磨輪。這幾種類型的工具與汽車制造直接相關。將這 些數據與以前的數據一起考慮，可以看出，雖然金剛石和CBN工具的應用范圍較窄，但它正在不斷拓展。我們還能看到，節(jié)塊式工具、切削刀具和其他工具的產值 在急劇下降，這或許反映出在建筑和公共工程領域的需求正在不斷減少，而這些領域以前是金剛石工具的主要用戶?？梢灶A期，至少在日本，今后數年金剛石和 CBN工具在汽車行業(yè)和工業(yè)機械行業(yè)（以電動機械和類似產品為代表）的市場將不斷擴大。
　　
　　對汽車零部件加工要求的總結顯示了為滿足產品和生產要求所需要的加工方法。與這些加工方法相關的工具需求包括這樣一些特性，如高硬度、耐熱性、長的工具壽命、切削刃的鋒利性和良好的熱傳導性。而金剛石和CBN工具正好能夠提供這些高水平的加工性能。
　　
　　生產系統(tǒng)已從1970年代的機床流水線發(fā)展到2010年代能夠生產不同品種和不同數量產品的柔性加工線。在生產系統(tǒng)的這種發(fā)展進程中，某些具 有劃時代意義的技術進步與刀具和磨具有關。如果沒有金剛石和CBN工具，這些加工技術將不可能實現。換句話說，這些年來，許多新的加工技術都是與金剛石和 CBN工具的進步一起開發(fā)和實施的。
　　
　　金剛石和CBN工具在生產線上的應用
　　
　　金剛石和CBN工具在汽車動力系統(tǒng)零部件加工中的主要用途：金剛石刀具用于加工鋁合金零件（如氣缸蓋和氣缸體），主要用途是鏜孔和表面精加工 （如端面加工）。而鉆削和粗切加工主要還是用硬質合金刀具來完成。CBN刀具用于加工鑄鐵和鋼件（如曲軸和凸輪軸）。金剛石工具用于切削速度相對較慢的加 工操作（如珩磨和表面精加工）。近年來，硬車削的應用也在不斷增多。需要指出的一點是，將金剛石和CBN工具應用于難以期望獲得較高加工效率的加工場合， 例如加工淬硬材料和用于高速加工。一般來說，與傳統(tǒng)的硬質合金刀具或白剛玉磨輪相比，金剛石和CBN工具可將切削速度提高2～10倍。由于加工效率與切削 速度成正比，因此在工件材料能以盡可能高的切削速度進行加工的情況下，使用金剛石和CBN工具可以獲得顯著的經濟效益。
　　
　　現將金剛石和CBN工具在生產線上的典型應用說明如下。例如，金剛石和CBN工具用于加工氣缸體和氣缸蓋。金剛石和CBN刀具除了用于傳統(tǒng)的 表面精加工和鏜削加工以外，最近已經開始用于鉆削和鉸削加工。能夠承受比常規(guī)加工條件更為惡劣加工條件的金剛石和CBN工具正在不斷被開發(fā)出來。
　　
　　用單晶金剛石刀片高精密切削鋁合金工件的應用實例表明，與聚晶金剛石（PCD）刀片相比，單晶金剛石刀片的切削刃更鋒利，硬度也更高，可改善 所獲得的最終表面粗糙度，并能延長刀具壽命。雖然單晶金剛石刀片的成本約為PCD刀片的3倍，但通過充分發(fā)揮單晶金剛石刀具的性能優(yōu)勢，仍然能夠獲得非常 不錯的經濟效益。
　　
　　用CBN刀片和金剛石珩磨塊進行缸孔精加工時，對缸孔的精鏜和珩磨加工被集成在一臺機床上進行，以提高加工精度和加工效率。鏜孔加工采用PCBN刀具，珩磨加工采用單晶金剛石珩磨塊。兩種加工都使用水溶性冷卻液。
　　
　　用陶瓷結合劑CBN磨輪進行高速磨削加工時，目前采用的磨削速度為50－200m/sec。由于采用了更高的磨削速度因而提高了加工效率，高 速磨削在曲軸的柔性加工（包括軸銷和軸頸的組合磨削）中發(fā)揮了重要作用。雖然高速磨削是提高加工效率的一種有效方式，但該工藝目前仍未獲得廣泛應用。高速 磨削的面臨最大問題是確立可達到令人滿意的可靠性和成本水平的工藝技術。
　　
　　在不同磨輪速度下，磨削效率與切向磨削力之間的關系為：切向磨削力隨著磨削效率水平的提高而增大，且其增大速率取決于磨輪速度。法向磨削力也 顯示出相同的變化趨勢。換句話說，當磨輪速度較高時，磨削力的增大速率較小。我們將這一特性應用于生產線上，以200m/s的磨輪速度實施超高速凸輪磨削 加工。如果能提高用于高速磨削的磨輪性能，就有可能進一步拓展其應用范圍。
　　
　　金剛石和CBN工具加工技術的最新研究課題
　　
　　用單晶金剛石（SCD）刮削刀片高效精密車削鋁合金所獲得的試驗結果表明，表面粗糙度分別為刀具刀尖圓弧半徑和進給率的函數。當刀尖圓弧半徑 大于10mm時，可獲得小于Ra0.1μm的表面粗糙度；在0.4mm/rev的高進給率下，使用具有大刀尖圓弧半徑的刀具，可獲得Ra0.1μm的表面 粗糙度。這些試驗結果表明，該工藝能將表面粗糙度提高一個數量級，同時可以達到與常規(guī)加工方法相同的高加工效率。
　　
　　用CBN刀片進行精密硬車削獲得的試驗結果表明，表面粗糙度是進給率的函數。在該試驗中，通過研磨刀具的切削刃，可獲得Ra0.03μm的表 面粗糙度。用該技術加工一個環(huán)形無級變速器（CVT）圓盤的應用實例表明，用硬車削可替代傳統(tǒng)的磨削加工，然后用超精磨削對圓盤進行最終精加工。
　　
　　在車齒加工中用CBN刀具斷續(xù)切削淬硬鋼獲得的試驗結果表明，在車齒加工中，具有傾斜切削刃的刀具朝著工件沿切向進給。在切削速度為 300m/min的常規(guī)加工中，刀具在切削加工開始后不久就發(fā)生破損。與之相比，在采用CBN刀具的車齒加工中，按切削長度計算的刀具壽命達到了約 15km。這一結果表明，該車齒工藝能夠實現淬硬鋼的高效斷續(xù)切削。
　　
　　下面介紹對超高速磨削的一些研究成果。一些典型磨削加工方法的磨削效率與表面粗糙度的關系表明，采用傳統(tǒng)磨削工藝時，磨削效率往往會隨著表面 粗糙度的減小而降低。因此，我們采用了磨輪截頂修形作為改善表面粗糙度的一種方式。并且，我們還發(fā)明了高速磨削和超高速磨削的新概念，作為進一步提高磨削 效率的方法。以這種方式，我們努力達到了類鏡面的表面磨削效果，同時實現了過去難以獲得的更高水平的磨削效率。
　　
　　第一個應用實例是使用陶瓷結合劑CBN磨輪以超高的磨輪和工件速度進行超高速磨削加工。在磨輪速度為240m/s的周邊磨削中，以加工表面粗 糙度作為進給率的函數。比較在一般工件速度（40m/min）和高工件速度（520m/min）下的表面粗糙度值，結果表明，在520m/min的高工件 速度下，即使進給率（即加工效率）提高4倍以上，表面粗糙度實際上并無變化，在截面顯微照片上也并未觀測到白蝕層。換句話說，這些結果表明，通過同時提高 磨輪速度和工件速度，能夠實現高效加工。
　　
　　第二個應用實例是使用陶瓷結合劑CBN磨輪進行類鏡面表面的高效磨削。以加工表面粗糙度作為修整速度之比的函數。在采用0.1mm/rev的 大修整導程時，表面粗糙度值隨著修整速度之比的增大而增大。反之，采用0.01mm/rev的小修整導程時，表面粗糙度也并未顯著惡化。顯微照片顯示了當 修整導程設定為0.01mm/rev、修整速度之比分別為0.2和0.8時的加工變質層。在修整速度之比為0.2時，可以觀察到白蝕層和回火層；而當修整 速度之比為0.8時，這些變質層非常小，幾乎難以識別。通過應用這種磨削技術，預計可實現曲軸及其他零件的類鏡面表面磨削，同時可獲得與常規(guī)磨削方法相同 的加工效率。
　　
　　金剛石和CBN工具的未來展望
　　
　　汽車工業(yè)與加工技術相關的發(fā)展戰(zhàn)略的兩個主要基礎是全球化和新產品與新技術的開發(fā)。這兩個基礎將隨著母技術（如機床技術、工具技術及其他技 術）的進步而不斷發(fā)展。為了在不久的將來保持競爭力，企業(yè)將需要能適應不斷發(fā)展的全球化的加工技術。為了實現未來的增長，企業(yè)必須開發(fā)生產新產品的加工技 術，并擁有在全球范圍實施這些技術的各種資源。為了拓展金剛石和CBN工具的市場，需要有與這種技術進步相關聯(lián)的發(fā)展戰(zhàn)略。
　　
　　有一個問題是：全球市場的擴展空間有多大？對今后一些年全球汽車保有量的預測估計，2020年的汽車保有量將比目前水平高出約1.3倍。在歐 洲、北美、日本及其他成熟的汽車市場，汽車普及率已經超過每二人一輛汽車。而目前全球的汽車普及率約為每十人一輛汽車。這一數據表明，在未來一些年，全球 汽車市場仍將繼續(xù)增長。換句話說，需要制定一種金剛石和CBN工具加工技術的發(fā)展戰(zhàn)略，以應對這種全球范圍的汽車需求增長。
　　
　　在預測金剛石和CBN工具的未來發(fā)展時，讓我們將考慮問題的視角從數量的增長轉換為應用范圍的拓展。與汽車動力系統(tǒng)主要零部件材料的變化相關 的金剛石和CBN工具預測表明，今后鋁、錳和其他輕質合金以及鈦合金、燒結合金及其他高強度合金將越來越多地用作動力系統(tǒng)零部件的材料。因此，能夠加工這 些材料的金剛石工具預期將有非常大的增長。
　　
　　對未來汽車技術發(fā)展預測表明，汽車技術將從目前的汽油和柴油發(fā)動機逐漸演變?yōu)殡妱訖C輔助、混合動力，然后進一步發(fā)展為燃料電池組。因此將需要開發(fā)與這種變化相關的金剛石和CBN工具加工新技術。
　　
　　根據預測，汽車制造商的短期增長和中長期增長都將繼續(xù)看好。筆者認為，可以預期，通過緊跟汽車技術發(fā)展趨勢，拓展加工應用范圍，金剛石和 CBN工具加工技術也將獲得進一步發(fā)展。筆者描繪了汽車行業(yè)的某些發(fā)展趨勢，并從汽車制造商的觀點介紹了相關的金剛石和CBN工具加工技術。希望汽車行業(yè) 與金剛石和CBN工具行業(yè)今后繼續(xù)攜手合作、共同發(fā)展。
　　
　　作者：張憲 編譯