1     引言

      汽車發動機缸蓋（gài）的主要加工部位氣門導管是發動機中關鍵的零部件,而導管孔的加工刀具一直是發動機加工中比較難解決的問題。導管的材質一般（bān）為粉（fěn）末（mò）冶金、鑄鐵等難加工材料,作為汽車發動機關鍵零部件,缸蓋氣門導管孔的加工精度要求很高。

      如圖1所示,缸蓋座圈錐麵與導管孔這一組（zǔ）孔係的精度要求（qiú）為:導管孔的孔徑精度為H6-H7,粗糙度為Ra0.8um左右,座圈錐麵對於導管（guǎn）孔跳動0.02-0.06mm。

      目前,大部分（fèn）發動機廠家采用合金鉸（jiǎo）刀或者合金塗層鉸刀加工,而這些刀具在加工（gōng）中磨損很快,一般（bān）加工幾十件後（hòu）就需要換刀,嚴重影響發動機加工的（de）生產節拍,因此迫（pò）切需要一種（zhǒng）能（néng）解決導管孔加工難題的（de）刀具。

      鄭州市鑽石精密製造有限公司(簡稱鄭鑽)在試製優化切削參數（shù）等係列過程後,研（yán）製的汽車發動機氣門導管孔鉸刀采（cǎi）用PCD材（cái）質替代PCBN材質,顛覆了業界PCD材料不能（néng）加工（gōng）黑色金（jīn）屬的傳統理念,最終解決了發動機中導（dǎo）管孔加工的難題。

      2     PCD刀具和（hé）PCBN刀具比較

      PCD刀具具有硬（yìng）度高、抗壓強度高、導熱性及耐磨性好等特性,可在高（gāo）速切削中獲得很高的加工精度和加工效率。這些特性是由金剛石晶體狀態決定的（de）。金剛石是（shì）單一碳原子的（de）結（jié）晶（jīng）體（tǐ）,獨特（tè）的晶（jīng）體（tǐ）結（jié）構使其具有自然界最高（gāo）的硬度、剛性、折射率、導熱係（xì）數（shù）以及極高的抗磨損性、抗腐蝕性及化學（xué）穩定性。圖2為部分刀片、鉸刀產品。

      由於CBN晶體與（yǔ）金剛石晶（jīng）體都屬閃鋅礦型,且晶格常數相近,化學鍵類型相同（tóng）,PCBN刀具具有較高的硬度和耐磨性、較高的（de）熱穩定性和高溫硬（yìng）度、較高的化學（xué）穩定（dìng）性、良好的導（dǎo）熱性和較低（dī）的摩擦係數（shù）。

      PCBN刀具與PCD刀具的硬度和抗壓強度相近（jìn）,但PCBN刀具有比PCD刀具更高的熱穩定性和化（huà）學惰（duò）性（xìng）。

      3分析導管材質及加工精度,選擇加工刀具

      導管的材質一般為鑄鐵（tiě）或者粉末冶金（jīn）,屬於黑色金屬難加工材料（liào）,具體參數見表1。

      按照（zhào）傳統理（lǐ）論（lùn）,PCBN更適合加工黑色金屬,也就是說更適合發動機導管的加工。但是,PCBN不適合加工硬度低的工件,而且如果要發揮其熱穩定性和紅硬性（xìng）的優點就必須選擇較高的線速度。由於導管孔的內徑很小（xiǎo）(一般在4.5-12之間),無法選擇適合（hé）PCBN切削的線速度,也就無法發揮其紅硬性和熱穩定（dìng）的優點,反而磨損非常快,不適合加工導管材料。

      PCD刀具的金剛石材料化學（xué）成（chéng）分是碳,與鐵係有親和力。切削過程中,金剛石的導熱性優越,散熱快,隻（zhī）要注意切削熱（rè）不高於700,就不會發生石墨化現象。也就是說,隻要在加工（gōng）過程中控製好PCD刀（dāo）具的切削溫度就可以加工（gōng）導管孔,並且適合加工硬度較低的工件,對線（xiàn）速度也沒（méi）有（yǒu）苛刻的要求。

      4     設計適合導管加工的PCD鉸刀

      在設計刀具時要考慮刀頭材質（zhì）、刀體材質、切削刃為（wéi）圓弧刃還是直線刃、刀具的幾何角度、前角（jiǎo）、後（hòu）角以（yǐ）及切削參（cān）數（shù）等因素。圖3為鉸刀結構示（shì）意（yì）圖,圖4為不同型式（shì）鉸刀實物圖。

       (1)刀頭材質粒度的選擇

      PCD材料粒度對刀具抗磨損、抗破損性能影響明顯（xiǎn）。粒度大,磨損小;粒度小,磨損大。為了降低磨（mó）損率,一般選（xuǎn）擇較大的PCD粒度,導管孔粗糙度要（yào）求為Ra0.8-1.6,最終選擇粒度為15-25範圍。考慮到導管孔（kǒng）徑小,切削刃采（cǎi）用（yòng）單刃。

      (2)刀體材質的（de）選擇（zé）

      導管（guǎn）孔屬於長徑比較大的小孔加工,刀杆必須有很（hěn）好的強度（dù）和一定的韌性,因此選擇（zé）硬質合金作為基體材料。刀（dāo）具在加工中要求散熱性好（hǎo）,因而選擇螺旋內冷方式,以確保（bǎo）散熱快、溫（wēn）度均勻。為保證刀具的直線度要求,硬質合金基（jī）體采用導向方式。

      (3)圓弧刃和直線（xiàn）刃的選擇

      PCD刀具在切削時的材（cái）料去除量極小(一般在微米級（jí）以下),切削（xuē）時刀尖部（bù）分與工件（jiàn）相互作（zuò）用,此時刀具切削部分是指實際參加切削（xuē）的刀尖幾何形狀部分。目前一般做成直（zhí）線切削刃和圓弧r切削刃兩種形式。直線刃刀具難以加工出超精密表麵,圓弧切削刃加工表麵質量好,但刃磨比較麻煩。基於表（biǎo）麵質量和加工精度（dù）的考慮,選擇圓（yuán）弧刃方式。

      (4)刀（dāo）具幾何角度的選擇

      刀具的幾何角度也影響著刀具壽命。導管材料屬於（yú）難（nán）加（jiā）工（gōng）材料,根據其成份,設計時（shí）選擇前角為3-6度（dù）,後角為10-15度。

      (5)切削速度的選擇切削線速（sù）度（dù）計算公式為

      切削速度是影（yǐng）響PCD刀具磨損的主要因素,隨著切削速度的提高,刀具磨損加快。加工導管的刀具（jù）線速度選擇如（rú）表（biǎo）2所示。

      刀具（jù）製作後給多家發（fā）動機（jī）廠試用,試用效（xiào）果很好,加工效率大幅度提高,並且（qiě）減少了換（huàn）刀次數,保證了加工工件的穩定性。

      5     結語（yǔ）

      鄭鑽公司設計的加工導管孔高精密超（chāo）硬刀具參數見表3。

      試驗結果表明（míng）,該PCD(聚晶金剛石)鉸刀刀具是更適合加工汽車發動機導管孔的刀具,解決了發動機中導管孔（kǒng）加工的難題,可發揮PCD鉸刀加工精度高、切削力小、壽命長、減少熱變形（xíng）等一係列優勢（shì）。