高速切削在鋁（lǚ）合金（jīn）變速器殼體（tǐ）加工中的應用研究-數控機床市場網

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高（gāo）速切削在鋁合金變速器殼體加工中的應用研（yán）究（jiū）

2024-7-1 來源：陝西法（fǎ）士特齒輪有限責任公司作者（zhě）：王朝清

【摘要】: 本文從輕量化變速器鋁合金殼體的加工方案出發，研究了高速切削技術（shù）在刀具、機床、切削參數及加工經濟性等方麵的特點，並通過驗證應用解決了鋁合金殼體加工的效率提升問題。

近年來，環保和燃油經濟性要求促使汽車零部（bù）件產業向輕量化方向發展，我公司鋁合金變速器相對於（yú）傳統鑄鐵變速器市場需求大（dà）幅提升，如何針對鋁合（hé）金殼體實（shí）現高速（sù）加工以便獲（huò）得高效率、低成本（běn）及良好表麵質量的加（jiā）工方案是我（wǒ）公司近年來主要的工藝研究方向之一（yī）。

鋁合金殼（ké）體的傳統加工方案主要使用硬質合金刀具，切（qiē）削速度一般在 300m/min 左右（yòu），刀具刃口磨（mó）損快，刀具壽命相對較短。精加工的表麵質量可達 Ra1.6~Ra3.2 ;麵銑刀一般多為可轉位刀片形式（shì），便於刀片（piàn）磨損後及時更換新刀片。但是其（qí）結構限製了安裝刀片的數量，齒數相對較少，一定程度上製約了進給速度和加工效率。與（yǔ）機床（chuáng）主軸連接對（duì）應的刀柄工具係統（tǒng）也多（duō）為錐麵定位的BT刀柄，這種刀柄在機床主軸高速旋轉時（shí）形變較大，進而（ér）會引起刀具較大（dà）的（de）跳動，不利於高速（sù）加工。

高速切削相對傳統加工具有顯著的優越性，具體來說具有以下（xià）優點 : 高（gāo）的金屬切除率（lǜ），良好（hǎo）的表麵質量和較小的工件變形，切削力減小及切削熱對工件影響小，延長刀具壽命。而且可以使零部件的加工表麵質量和加工精度達到（dào）更高的水平，現在高速加（jiā）工技術（shù）已在航空航天、汽車（chē）和摩托車、模具和其他製造業得到越來越（yuè）廣泛的應（yīng）用。

高速切削加工技術特（tè）點

高速（sù）切（qiē）削加工技術中的 “高速” 是一個相對概念，對於不同的加工方法（fǎ）和工件材料與刀具材料，高速切削加工時應用的切削速度並不相同。通常把切削速度比常規高出 5~10 倍甚至以上的切削加工叫作高速切削或超高速切削。以德國達姆施塔（tǎ）特工業大學 H．Schulz 教授提出的銑削速度（dù）範圍比較具有代表性:鋁合金1000~7000m/min，鑄（zhù）鐵 800~3000 m/min，鋼 500~2000m/min，鈦合金（jīn） 100~1000 m/min，鎳基合金50~500 m/min。

傳統（tǒng）硬（yìng）質合金類刀具加（jiā）工鋁合金（jīn）殼體切削速度一般在 150~300 m/min 之間，而聚（jù）晶（jīng）金（jīn）剛石（PCD）類刀具的切（qiē）削速度能達到 2000 m/min以（yǐ）上，實現（xiàn）高速（sù）切削。

高速切削加工時，高切削速度在材料剪切區短時釋放（fàng）大量熱能（néng）。因此，隨著切削速度的增加，切削的剪切區、切屑壓縮區和變形區內材料的單位（wèi）切削力反而下（xià）降。總切（qiē）削力和必需的切削功率同（tóng）樣（yàng）下降。切削溫度與切（qiē）削速度的關係如圖 1 所示，切（qiē）削力與切削（xuē）速度的關係如圖 2 所示。

圖 1 切削溫度與切削速度的關係

圖（tú） 2 切削力隨（suí）切削速度的增加而降低

高速切削工藝典型的小切（qiē）削深度結合（hé）高進給（gěi）速度和高主軸轉速，將降（jiàng）低（dī）切削刃切入工件的時間，或（huò）稱接觸時間。將剪切區產生的切削溫度傳（chuán）遞給切削材料（liào）需要一個（gè）最小接觸時（shí）間。如果沒有這個溫度傳遞時間，切削材（cái）料（liào）自身的導（dǎo）熱性能又（yòu）低（dī），切削（xuē）所（suǒ）產（chǎn）生的（de）切削溫（wēn）度絕大部分將傳遞給（gěi）切屑，由切屑執行散熱任務（圖 3）; 一般在高速切削過程中有個特點，即形成鋸齒形（xíng）切屑（圖 4）。

圖 3 高速切削和傳統加工的接觸時間

圖 4 鋸齒形切屑

在高速切（qiē）削加工過（guò）程中還應該考（kǎo）慮的一個問題（tí）是刀柄與機床主軸錐孔的連接方式，常用的錐柄有 BT、HSK、CAT 及 CAPITO 等（děng）多種形式，但是在高速切削時（shí） HSK 因其獨特（tè）的雙（shuāng）麵接觸過定位結構可以保證刀（dāo）尖很高的跳動要求（qiú），性能卓越，特別適合高轉速工況。

高（gāo）速切削方案在輕量化變速器殼體加工中的應（yīng）用驗證由於聚晶（jīng）金（jīn）剛石（PCD）刀具中的碳元素在工件材料鋁合金（jīn）中的溶解度很小，在切削鋁合金時表現出了（le）優異的抗擴散磨損的能力，刀具壽命長，還能（néng）適應高速切削，是加工鋁合金的理想刀具材料。刀具材料中的碳元素在工（gōng）件材料鋁中的溶解度（dù）曲線如圖 5 所（suǒ）示。

圖（tú） 5 刀具材（cái）料中的碳元素（sù）在工件材料鋁中的溶解度曲線

以（yǐ）我公（gōng）司某款變速器殼體接合麵銑削加工（gōng）為（wéi）例（lì）（圖 6），傳統硬質合金銑刀加工方案 : 可轉位麵銑刀盤 FMA50，直徑 φ50，刀片 LDFW1504PDSR，齒數 4，大隈 MA600-HB 型臥式加工中心，BT50 主軸錐柄接（jiē）口，切削速度 Vc=780 m/min，主軸轉速 5000 rad/

min，進給（gěi）速度 F=2000 mm/min, 切削路徑長（zhǎng）度 L =1 450 mm，銑削時間（jiān）為 43.5s，表麵質量 Ra=1.8。

圖 6 硬質合金可轉（zhuǎn）位銑刀和工件

針對我公司輕量化鋁合金變速（sù）器殼體材料ZL101A、ZL104、ADC12，我們重新設計選用聚晶金剛石（PCD）材質（zhì）的麵銑刀（圖 7）開（kāi）展高速切削應用試驗，並重新選取（qǔ）格勞博 G552機床，其主（zhǔ）軸錐孔形式 HSK A100，主軸轉速可達 10000 rad/min。銑刀（dāo）直徑依然為 φ50，但設計有可轉位刀片式、整體式兩種，由於結構限製兩種銑刀的齒數不同，可轉位式為 7 齒，整（zhěng）體式為 10 齒，可轉位銑（xǐ）刀（dāo）更換刀片方便，而整體式修（xiū）磨相對麻煩，使用中二者各有優劣。由表中試驗（yàn）數據可見，在此（cǐ）案例中，PCD 銑刀高速切削加工方案相對於傳統硬質合金（jīn）刀具（jù）方案有明顯的優勢 : 加工時間下降 80%，刀具壽命提升 40 倍，單件（jiàn）刀具成本下降 53%。PCD銑刀磨損後（hòu）效果如圖 8 所示（shì）。

圖 7 PCD 刀夾式可轉位銑刀、焊片式銑刀

圖 8 PCD 銑刀磨損後效果

輕（qīng）量（liàng）化變速（sù）器鋁合金殼體端麵加工方案關鍵參數對比數據（jù）

結語

通（tōng）過對高速切削技（jì）術的研究，特別是其（qí）在刀具材料、錐柄（bǐng）工具係統等方麵的特點，實現了 PCD 刀具在輕量化鋁合金（jīn）變速器（qì）殼體銑削加工中的成功應用，驗證了其較高的（de）穩定性、耐磨性（xìng）及高壽命等優（yōu）良的切削性能，同時相較於（yú）傳統的刀（dāo）具方案（àn）實現效率提升、成本下降。

圖 9 經過銑削加工完成的變速器（qì）殼體

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