我國（guó）發動機缸（gāng）體缸蓋高速銑削技術與（yǔ）刀具現狀

      傳統的發動機缸體、缸蓋銑削加工大量采用專機生產線，生（shēng）產效率低下（xià）、生（shēng）產節拍慢、生產成本高。如今，隨著新設備、新工藝的不斷采用，發動機（jī）缸（gāng）體、缸蓋的銑削加工逐漸采用數控高速加（jiā）工中（zhōng）心以替代這（zhè）些傳統的專機生產線，向著高速銑削的方向發展，許多加工中心機床的主（zhǔ）軸轉（zhuǎn）速可達數萬轉。

      隨著數控設備與高速銑削工藝的推廣應（yīng）用（yòng），刀具材（cái）料也（yě）發生了巨大變化。近年（nián）來，在發動（dòng）機缸體、缸蓋加工中，主要采用以硬質合（hé）金材料為主的各種銑刀代替了傳統的高速鋼刀（dāo）具，銑削速度大幅提高，加工效率提高了數倍，為銑削加工全麵進入高速銑（xǐ）削階段起（qǐ）到了重要作用。隨著（zhe）塗層技術的發展，硬質合金刀具（jù）的耐磨性和（hé）韌性得到（dào）了大幅度的提高，不僅開發了適應高速銑削、幹切削、硬切削的（de）耐熱性更好（hǎo）的塗層，而且通過對塗層結構的創新，開發了納（nà）米、多層結構，大幅度提高了塗（tú）層（céng）硬度和韌性，推動了硬質合金刀具的更廣泛應用。

      然而，隨著發動機缸體、缸蓋銑削（xuē）加工向著（zhe）更高的銑削速（sù）度發展，硬質合（hé）金刀具以（yǐ）及陶瓷等刀具已難以（yǐ）滿足使用要求，特別是當（dāng）銑削線速（sù）度達到5000m/min以上時，聚晶金剛（gāng）石（PCD）和聚晶（jīng）立方（fāng）氮化硼（PCBN）將成為可供選擇的兩種超硬刀具材料。

       PCD/PCBN超硬刀具的性能特點及應用

      目前，國外先進國家已經大規模投入使用PCD/PCBN超硬刀（dāo）具（見圖1），這與國外高（gāo）速數（shù）控機床20年來的快速發展是分不開的，尤其是（shì）在（zài）汽車工業中，國外PCD/PCBN刀具（jù）已經占到刀具市場份額的30%以上。PCD/PCBN刀具以其高硬度、高耐磨性、良好的導熱性和低摩擦係（xì）數等優異性能，必將如同高速數（shù）控機床在中國的（de）發展過程（chéng）一樣，是（shì）大勢（shì）所趨。圖2所示為安裝了超硬刀片的可（kě）轉位麵銑刀。

      聚晶立方氮化硼PCBN是目前利用人工方（fāng）法合（hé）成的硬度僅次於金剛石的新（xīn）型（xíng）刀具材料，由於它具有遠遠高於其他材料的（de）硬度，因此（cǐ）它與金剛石（shí）統稱為超（chāo）硬刀具材料。PCBN材（cái）料的硬度在4000～6000HV，具有很（hěn）高的熱穩定性、高溫硬度和抗（kàng）氧化能力，在（zài）銑削鑄鐵（tiě）遇到夾渣時也不會發生崩刃；其楊氏模量約為750GPa，高於WC、TiC、AL2O3等材料；密度較小，約為3.48×l03kg/m3，與AL2O3、Si3N4密度相近，而熱（rè）膨脹係數較小，因此，PCBN在高（gāo）溫狀態下基本不會產生變形。基於上述（shù）優點，PCBN刀具能夠滿（mǎn）足高速切削、幹式（shì）切削、硬態切削等綠色製造的（de）要求，非常適宜高速幹（gàn）式切削鑄鐵類缸體、缸蓋等工件（jiàn）。

      聚晶金剛石（shí）PCD是英文Polycrystallinediamond的簡（jiǎn）稱，它與單晶金剛石相對應。PCD刀具具有硬（yìng）度（dù）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（dé）很（hěn）高的加（jiā）工（gōng）精度和（hé）加工效率。PCD刀具材料的硬度可達8000HV，為硬質合金的80～120倍；導熱係數（shù）為700W/mK，因此PCD刀具熱量傳遞迅速；摩擦係數一（yī）般僅為0.1～0.3（硬質合金的摩擦係數為0.4～1），因此PCD刀（dāo）具可顯著減小切削力；熱膨脹係數僅為（0.9～1.18）×10－6，僅相當於硬質合金的1/5，因此PCD刀（dāo）具熱變形（xíng）小，加（jiā）工精度高；PCD刀具與非鐵金屬和（hé）非金屬（shǔ）材料間的親和力很（hěn）小，在加工過（guò）程中切屑不（bú）易粘結在刀尖上形成積屑（xiè）瘤，所（suǒ）以PCD刀具在加工鋁、鎂、銅等金屬及其合金時表現出（chū）了優良的（de）性（xìng）能。

      汽車工業是PCD/PCBN刀具（jù）最好的應用領（lǐng）域。近年來，隨著我國汽（qì）車工業（yè）的不（bú）斷發展，汽車行業已成為國民經濟的重要支柱，PCD/PCBN刀具配合高速數控機床使用，能縮短加工時（shí）間達到一（yī）半（bàn）以上，同時也減少非加工時間，增加機床使用壽命，提高（gāo）加工效率。目前，國（guó）外PCD/PCBN刀具在（zài）氣缸體、氣缸蓋、車軸、變速器、軸承蓋等零件加工上應用很多（duō）。表1為（wéi）PCD/PCBN刀具在各行業的應用情況。

      PCD/PCBN刀具高（gāo）速銑削發動（dòng）機缸（gāng）體缸蓋

      發動機（jī）缸體（tǐ）加工中，粗銑缸體幾個大麵是效率最低、生產成本最高的加工（gōng）工序。圖3、圖4所示為鑄鐵發動機（jī）缸體與鋁合金發動（dòng）機缸體。目前，以塗層（céng）硬質（zhì）合金麵銑刀為主的加（jiā）工方式已（yǐ）不能適應日益增長的效率競爭的要求。

      為了（le）解決這個問題，對於鑄鐵（tiě）類（lèi）發動機缸體，可以應用整體PCBN銑刀片高進給幹式粗銑平麵，可有效提高缸體的加工質量與加工效率。如上（shàng）海通用汽車公司（SGM）的發動機柔性生產線上應用高性（xìng）能PCBN刀具銑削發動機缸體平麵，銑削線速度高達1500～2000m/min，不僅大（dà）大提高了發（fā）動機的加工效率（lǜ）與加工質量，縮短了加工時（shí）間，也（yě）提升了發動機（jī）生產線的適應（yīng）能力。表2為PCBN與硬質合金的切削參數對比。圖5為PCBN麵銑刀高速銑（xǐ）削灰鑄（zhù）鐵發動機缸體。

      對於鋁合金材料（liào）的（de）發動機缸體缸蓋（gài），則廣泛采用PCD麵銑（xǐ）刀進行高速銑（xǐ）削加工，使其加工效率與加工質量得（dé）到極大提高。圖6所示為可轉位PCD麵銑刀，其具（jù）體參數為：刀（dāo）具直徑63mm，轉速19705r/min，每（měi）齒進給量0.12mm，齒數為5，總進給速度達12000mm/min，進給行程為3033mm，消耗時間（jiān）15.2s，刀具壽命為10000件。而對於相同規（guī）格的可轉位塗層硬質合（hé）金麵銑刀，其具體參數為：刀具直徑63mm，轉速4000r/min，每齒進給量0.2mm，齒數為（wéi）6，總進給速度4800mm/min，進給（gěi）行程3033mm，消耗時間37.9s，刀具壽命為800件。

      由對比可知（zhī），在其他條件相同的前提下，PCD麵銑刀消耗的時間比可轉位硬質合金麵銑刀消耗的時間減少約60%，而刀具壽命則為原來的12倍（bèi）多，大大減輕了刀具調整等輔助勞動（dòng）的強度並節省了時間（jiān）。另外，還可以適（shì）當采用（yòng）帶修（xiū）光（guāng）刃的刀片，使加工效率、表麵質量得到進一（yī）步提升。圖7所示為使用PCD麵銑刀精銑（xǐ）鋁合金缸蓋燃燒室麵。

      結語

      PCD/PCBN代表刀具材料的（de）發展方向，是一種較理想的切削刀具材料，其優（yōu）良（liáng）的性能及高效優質的加（jiā）工早已在國內外（wài）得到普遍認可（kě）與（yǔ）證實，以這種材料來替代不可再生（shēng）而且漸漸匱（kuì）乏（fá）的硬質合金材料刀具是必然趨勢。相信隨著高速加工技術的不斷發展，以及PCD/PCBN刀具性能的（de）不（bú）斷改善，成本的（de）進一步降低，其應用（yòng）必（bì）將更為廣泛。