伴隨著幾年來汽車工業(yè)的持續(xù)增長，與汽車制造相關(guān)的機(jī)械加工及金屬切削工作量激增，汽車及其零部件制造業(yè)已成為機(jī)床和刀具行業(yè)最大、最重要的用戶。而隨著市場(chǎng)競爭的日益加劇，提高生產(chǎn)效率、縮短產(chǎn)品交付時(shí)間、降低成本已成為企業(yè)生存和發(fā)展的關(guān)鍵，而高速切削無疑是解決這些問題的一條重要途徑。目前，高速銑削在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋等零件的加工中已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。

1、高速銑削的優(yōu)點(diǎn)

      高速銑削先進(jìn)加工技術(shù)在我國尚處于發(fā)展之中，相對(duì)傳統(tǒng)加工具有其顯著的優(yōu)越性，可以節(jié)約刀具材料和切削液，節(jié)省勞動(dòng)力，節(jié)約自然資源，減少對(duì)環(huán)境的污染，是公認(rèn)的21世紀(jì)制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。

      高速銑削加工允許使用的進(jìn)給率比常規(guī)銑削加工提高了5～10倍，單位時(shí)間材料切除率可提高3～6倍，加工時(shí)間大大減少。其次，高速銑削采用極淺的銑削深度和較窄的銑削寬度，與常規(guī)銑削相比，切削力可降低30％以上，加工剛性較差的缸體缸蓋等薄壁類零件時(shí)可減少加工變形。另外，刀具高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的固有頻率，不會(huì)造成工藝系統(tǒng)的受迫振動(dòng)，能夠保證較好的加工狀態(tài)，從而保持尺寸的精準(zhǔn)性，同時(shí)，切削破壞層變薄，殘余應(yīng)力小，可以實(shí)現(xiàn)高精度、低粗糙度加工，能夠?qū)崿F(xiàn)以銑代磨的目標(biāo)。

      目前，高速銑削技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，并已取得巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。而在我國，高速銑削加工仍處于初步階段。

2、我國發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋高速銑削加工技術(shù)及刀具的現(xiàn)狀

2.1 高速銑削加工技術(shù)及刀具現(xiàn)狀

      傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋銑削加工大量采用專機(jī)生產(chǎn)線，生產(chǎn)效率低下、生產(chǎn)節(jié)拍慢，生產(chǎn)成本高，如今，隨著新設(shè)備、新工藝的不斷采用，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋的銑削加工逐漸采用數(shù)控高速加工中心以替代這些傳統(tǒng)的專機(jī)生產(chǎn)線，向著高速銑削的方向發(fā)展，許多加工中心機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速已可達(dá)數(shù)萬轉(zhuǎn)。另外，為了提高生產(chǎn)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(jìn)行精加工，面粗銑后一次精銑達(dá)到要求，且在粗銑中盡可能多地切除加工余量，然后進(jìn)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(zhì)量。

      隨著數(shù)控設(shè)備與高速銑削工藝的推廣使用，刀具材料也發(fā)生了巨大變化[3-5]。近年來，在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋加工中主要采用以硬質(zhì)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(shù)倍，為銑削加工全面進(jìn)入高速銑削階段起到了重要作用。隨著涂層技術(shù)的發(fā)展，硬質(zhì)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(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片的涂層比例已達(dá)70%以上，不僅開發(fā)了適應(yīng)高速銑削、干切削、硬切削的耐熱性更好的涂層，而且通過對(duì)涂層結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新,開發(fā)了納米、多層結(jié)構(gòu),大幅度提高了涂層硬度和韌性。

      另外，隨著陶瓷材料組成結(jié)構(gòu)和壓制工藝的不斷改進(jìn)，特別是納米技術(shù)的進(jìn)步，使得陶瓷刀具的增韌成為可能，陶瓷和金屬陶瓷刀具材料品種增多,強(qiáng)度和韌性逐步提高,擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域和加工范圍,在發(fā)動(dòng)機(jī)灰鑄鐵缸體、缸蓋的精加工、半精加工中能夠代替硬質(zhì)合金,切削速度可達(dá)硬質(zhì)合金刀具的2-5倍，提高了加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

      近年來，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋銑削加工向更高的銑削速度發(fā)展，硬質(zhì)合金刀具與陶瓷刀具已難以滿足使用要求，特別是當(dāng)銑削速度達(dá)到5000m/min以上時(shí)，聚晶金剛石（PCD）和聚晶立方氮化硼（PCBN）將成為迄今發(fā)現(xiàn)、可供選擇的兩種刀具材料。

      PCD刀具材料具有高硬度、高耐磨性、高導(dǎo)熱性及低摩擦系數(shù)等特點(diǎn)，在端面銑削鋁合金缸體、缸蓋時(shí)，可實(shí)現(xiàn)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(dá)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用效果，能夠?qū)崿F(xiàn)“以銑代磨”，與硬質(zhì)合金刀具相比，其切削速度可提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.2 主要刀具制造商

      隨著中國工業(yè)的快速發(fā)展，世界上許多知名的刀具制造商都進(jìn)入了中國市場(chǎng)。目前在中國高速銑削領(lǐng)域的刀具制造商主要有五大派系[6]，一是山特系，包括山特維克可樂滿(Sandvik Coromant)、山高(Seco)、Titex、瓦爾特(Walter)、Valenite等；二是美國系，主要以肯納Kennametal、Widia、Star等為代表；三是歐洲系，主要以德國為主，包括MAPAL、Guehring、EMUGE、TBT、瓦格納等；四是日本系，包括三菱．住友、東芝、OSG、黛杰、不二越、日立等；五是以色列系，包括ISCAR(伊斯卡)、莫格索爾、瓦格絲等。

      而以成量、哈一工等為代表的國內(nèi)廠商盡管已經(jīng)積累了一些品牌優(yōu)勢(shì)，但缺乏材料等方面的核心競爭力，在市場(chǎng)競爭上往往只有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，缺乏技術(shù)與品牌優(yōu)勢(shì)，需要加緊自己的研發(fā)力量，提高自己的技術(shù)含量。

      總之，高速加工的發(fā)展史就是刀具材料不斷進(jìn)步的歷史，隨著銑削速度的不斷提高，CBN和PCD等超硬刀具在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋加工中的應(yīng)用必將越來越廣泛。雖然目前大部分超硬刀具需要從國外進(jìn)口，但隨著國內(nèi)技術(shù)的進(jìn)步，刀具供應(yīng)必然會(huì)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

3、整體PCBN刀具在高速銑削發(fā)動(dòng)機(jī)灰鑄鐵缸體、缸蓋中的應(yīng)用

      PCBN是將精選的CBN晶體在高溫高壓下燒結(jié)而成的超硬材料[7-8]。影響PCBN刀片性能的主要因素為CBN的含量、CBN的晶粒尺寸和粘結(jié)劑的種類。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(jié)劑有金屬粘結(jié)劑（Co、Ni、Ti、Al等）和陶瓷粘結(jié)劑（TiC、TiN、Al2O3等），一般加金屬粘結(jié)劑的PCBN刀片具有較好的韌性，而加陶瓷粘結(jié)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(shù)細(xì)小的CBN單晶體在高溫高壓下燒結(jié)而成；另一類是以硬質(zhì)合金為基體、高溫高壓下在其表面燒結(jié)一層CBN微粉制成的復(fù)合片。PCBN復(fù)合片將PCBN材料的高硬度、高導(dǎo)熱性及高熱化學(xué)穩(wěn)定性和硬質(zhì)合金基體的強(qiáng)度與韌性結(jié)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(chǎn)生大量的切削熱，而硬質(zhì)合金和PCBN材料的熱膨脹系數(shù)差別太大，在高溫下容易導(dǎo)致脫層，從而影響PCBN復(fù)合片的抗沖擊破損能力。表1所示為SECOMAX公司系列CBN刀片的技術(shù)性能指標(biāo)。

      從表1可以看出PCBN材料的發(fā)展過程是由復(fù)合片發(fā)展到整體式刀片，其中，CBN100為CBN10的改進(jìn)型，而CBN300為CBN30的改進(jìn)型。CBN300材料的CBN含量達(dá)90%、硬度高、紅硬性好，切削加工時(shí)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(jī)械強(qiáng)度，可用于斷續(xù)切削，在加工灰鑄鐵和球墨鑄鐵時(shí)具有很高的刀具壽命。


      SECOMAX公司的CBN300首次解決了超硬材料不能用于銑削加工的難題，實(shí)現(xiàn)了PCBN刀片從車削應(yīng)用到銑削應(yīng)用的飛躍。CBN300在銑削加工灰鑄鐵時(shí)的刀具壽命可達(dá)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(dá)2000m/min。通過在上海通用汽車公司(SGM)的發(fā)動(dòng)機(jī)柔性生產(chǎn)線上的應(yīng)用表明，采用CBN300銑削發(fā)動(dòng)機(jī)缸體平面，銑削線速度Vc高達(dá)1600m/min，不僅大大提高了發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的加工效率，而且節(jié)省了大量的設(shè)備投資，提升了發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線的柔性度。圖1所示為上汽通用五菱發(fā)動(dòng)機(jī)工廠加工缸體缸蓋所用的德國MAG公司的EX-CELL-O高速銑削加工中心。

4、試驗(yàn)結(jié)論

      整體PCBN刀具高速銑削發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋能夠大幅度提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，是一種非常有前途的刀具材料。雖然目前國內(nèi)制造的整體PCBN刀具與國外制造商生產(chǎn)的刀具尚有一定的差距，但隨著技術(shù)的進(jìn)步和國內(nèi)企業(yè)的不斷努力，我國整體PCBN材料及刀具制造水平必然會(huì)不斷提高，預(yù)計(jì)不久的將來，必能逐步替代國外的進(jìn)口產(chǎn)品。