高效刀具在汽车制造中的应用

HEATS · 发表于 2010-9-12 11:09:42

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图1 Valenite可变直径气缸孔镗刀工作原理

目前中国的汽车制造技术正向着高速、智能、复合、环保方面发展，这对切削刀具的要求更高，新型硬质合金刀具已经被广泛使用，而CBN(立方晶氮化硼)、PCD(聚晶金刚石)刀具和陶瓷刀具等代表当今技术发展水平的超硬刀具在汽车制造业中应用也越来越多。为达到高效加工的目的，在汽车制造业中还大量使用组合式刀具和复合刀具。

同时现代汽车制造业还要求刀具供应商不仅能提供切削加工整体解决方案，并能提供及时有效的现场技术支持，形成与汽车制造企业的一种合作伙伴关系，以达到双赢目的。山特维克可乐满、肯纳、伊斯卡、万耐特、山高、日立、住友电工、黛杰、三菱、株钻、森拉天时等着名刀具制造商在这方面都有很多成功案例。

Valenite可变直径气缸孔镗刀

随着柔性技术在汽车工业加工中的成熟应用，以及产品的不断变型，用户对非标专用刀具的柔性也提出了更高的要求。针对缸体中气缸孔的加工，Valenite设计了直径能够在一定范围内可变的气缸孔复合镗刀。

以共线加工三种不同直径缸孔的缸体为例，缸孔的直径分别为Φ82.54mm、Φ87.04mm、Φ91.1mm，最大与最小孔径相差8.56mm，机床型式为专用机床。Valenite设计了一套变直径的复合镗刀、测量系统以及控制系统。其中，镗杆共有三个小刀夹，两个用于半精镗(推镗)，一个用于精镗(拉镗)。镗杆内部的拉杆以及小刀夹采用特殊结构。

工作原理(见图1)：初始在767处理器内设置三个不同的加工直径，根据不同的产品系列，选择不同的加工直径，如由Φ82.54mm切换到Φ87.04mm，处理器发出信号给镗杆后端的伺服电机，电机通过中间的转换装置把回转运动转换为液压缸的直线运动，从而驱动拉杆，将小刀夹的尺寸调整到Φ87.04mm后，小刀夹自锁。然后，对加工过的缸孔进行测量，测量数据转换为信号传输到处理器中进行比较，如数据有偏差，将偏差补偿量转换为补偿信号传输到伺服电机，由电机对拉杆进行微调，使小刀夹产生弹性变形，从而实现尺寸自动补偿。补偿精度为半径方向0.001mm。

根据客户的需要，Valenite可设计缸孔直径变化范围在15mm内的柔性镗刀。(Valenite公司供稿)

冲压模粗加工用最新球头铣刀

近年来，工业领域使用的刀具产品样式不断变化，且绝大多数的企业本着降低制造成本的生产理念，要求生产高精度、高品质的产品。这种现象在汽车行业的加工领域也不例外。针对客户的要求，日立工具技术公司采取的策略是：不断提高刀具使用寿命以及缩短加工时间。日立最新推出了几种新型刀具，在进行车门、保险杠、车架等零部件的冲压模加工时，能够大大提高刀具的使用寿命、降低加工成本。其中“阿尔发”超级高硬度球头立铣刀ASB是一种刀头可换式立铣刀。

该款刀具适用于冲压模粗加工时的强力切削，具备加工稳定的特性，可提高使用寿命2~4倍。ASB立铣刀的球头部位带有斜弧，在强力切削时，可使刀具所承受的切削负荷量大幅度减少，切削阻力降低，大大减少刀具破损的可能性。

图2 “阿尔发”超级高硬度球头立铣刀ASB

图3 长、短修光刃对比

这款立铣刀配备了带刀槽与不带刀槽的两款刀片。倒角加工时，负荷量逐渐增大的部分可使用带刀槽的N型和N2型刀片；在负荷量一定的等高线加工中，则使用不带刀槽的刀片。

ASB系列立铣刀采用双重固定方式，能够有效地将刀片固定于刀杆上。此外，刀杆部分采用了高刚性新型钢材。(日立工具技术株式会社上海代表处供稿)

INGERSOLL精铣平面铣刀6FEE

为适应汽车制造业的柔性，及在节拍(效率)、精度(质量)和价格(成本)上保持竞争力的要求，在汽车零部件制造过程中的刀具技术链呈现两大发展趋势：一是与机床工件结合得更加紧密而形成彼此匹配的复合工序刀具及多功能刀具，如ISCAR集团I.T.D的钻、扩、铰、倒刀具，这些高精度的刀具与高速机床、HSK或热套刀柄相匹配，能够高效率地完成高精度零件的加工；二是为适应产品不断更新和多样化要求，高效与通用性兼备的刀具使生产线更具“柔性”，如ISCAR集团INGERSOLL新型的曲轴高速外铣工艺比车—车拉工艺具有更高的效率和更好的“柔性”。

INGERSOLL的精铣平面铣刀6FEE是专用於汽车工业的刀具。该铣刀采用INGERSOLL独特的高强立装刀片结构，刀片有两组：圆周组完成主切削任务，端面组完成修光作用。加长的修光刃L(图3)，使该刀具在每转进给f=15mm时也能轻松地加工出Ra＝1.6以上的光洁度，比通常高光洁度表面的加工用短切削刃小进给的概念有更高的效率、效果。刀片切削刃相对工件表面为一大R的圆弧刃，令修光刃非常方便地与工件表面平行，并保证切削时应有的接触长度，这样刀片受力受热均匀，大大延长了寿命。在机床与刀具都存在制造公差的前提下，INGERSOLL采用了荣获专利的微调机构，除可轻松调整修光刃与工件表面的平行度，还可以根据具体情况调整修光刃接触工件的长度和位置，以得到最佳的切削状态，从而实现大进给精切。(ISCAR北京办事处供稿)

适用于铸铁和烧结合金的CBN刀具

CBN具有仅次于PCD的高硬度和热传导性，并且不容易和铁系金属发生化学反应。因此，CBN刀具的出现使得对淬火钢的切削成为了可能，并实现了对铸铁的高速切削。住友电工目前已开发出能广泛适用于铸铁和烧结合金切削的CBN刀具，并使之形成系列产品。当前，汽车变速器及驱动装置内淬火钢材质的零件加工方式正从传统的磨削逐渐向应用CBN刀具的高效切削演变，同时，发动机缸体和制动器等零部件的铸铁加工也由传统的硬质合金及陶瓷刀具向应用CBN刀具的高速切削发展。

图4 住友电工CBN刀具系列

气缸体：气缸体的材质大致分为铸铁和铝两种。一般情况，铸铁铣削和镗缸孔多采用CBN刀具，并以大于700m/min的高速铣削加工。近年来出现了1000m/min以上的高速加工，此类高速加工宜采用CBN含有率高、导热性能好的刀具材质。住友电工整体烧结体的BNS800因其切削刃长，适用于粗、中、精各种加工场合。此外，可使用的刀角数多能够降低成本，如配用修光刃刀片就可进行精加工。住友电工BN700由于具备耐热龟裂性及优异的耐磨损性，可以在2000m/min以下速度范围内加工零部件，具有加工面光洁度优异、刀具使用寿命长的特点。

气缸盖：气缸盖加工中成本最高的是VSR(气门座圈)，由于VSR是含有许多硬质粒子的烧结体，即使使用CBN刀具也只能实现300~1000个的加工量。VSR用坏料材质的种类较多，Hv300以下的低硬度坏料推荐使用耐崩损性优异的BN700，Hv300以上则推荐使用比BN700更耐磨损的BN300。(住友电工株式会社供稿)

黛杰高进给新干线SKS新系列

近年来，通过高进给达到高效率的加工备受瞩目。但在加工中，当刀具的悬长加大时，刀体会发生振动而降低了切削条件；另外，刀片不仅是因为耐磨性不足导致崩刃，刀体的振动亦极大地降低了刃口的防崩刃性，特别在无人自动化加工时容易导致刀夭机毁的重大事故。黛杰公司推出的高进给新干线SKS系列可对毛坯材、淬硬钢等难切削材料进行高效率粗加工，其中最新开发的可换式刀头+硬质合金刀杆(超强硬杆)系列刀具尤其适于模具加工。

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硬质合金刀柄超强硬杆系列 . l& Y- d) v- S
可换式刀头MSH系列外径有￠20、￠21、￠25、￠26、￠32mm的二刃型和￠32、￠33mm的三刃型；硬质合金刀柄“超强硬杆”MSN系列的有￠20、￠21mm用，￠25、￠26mm用，￠32、￠33mm用及各自对应的3种不同长度共计9种。
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图5 黛杰可换式组合刀柄
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如：用SKS-2020-130-S20(直径20mm钢刀体)，悬长190mm(L/D=9.5)，加工S55C时推荐的切削参数为：切削深度0.3mm，切削速度V=80m/min，每刃进给f=0.6mm/刃，进给速度F=1500mm/min。若将硬质合金刀柄(超强硬杆)MSN-M10-140-S20和高进给新干线系列用的可换式刀头MSH-2020-M10组合使用，可使切削速度达到1.9倍V=150 m/min，每刃的进给为原来的1.7倍f=1.0mm/刃，进给速度是原来的三倍F=4800mm/min，且加工过程中不会振动，切削平稳。
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刃口强化型-SKS〈10型〉系列 8 }) }& c* q; |
黛杰刀头强化款SKS(10型)与SKS(08型)相比，不仅仅是刀片增厚了0.5mm，刀片内接圆尺寸也增大了3mm。大幅度加大了刃口与刀片安装孔壁之间的厚度，使得刀片的断面强度提高了2倍。 + |) x# d% a3 a2 a: N
如在悬长288mm、切入角1度时，使用强化型刀片的￠80mm刀盘加工冲模(SKD11，带孔零件)，用SKS(08型)加工了60分钟，即发生大的崩裂，导致其它刃口无法再使用。而用10型刀片寿命可达到120分钟，加工寿命提高了2倍，而且改善了崩刃，做到了3片刀刃均可使用。(黛杰工业供稿)

铝合金加工用面铣刀“NF10000”

近几年，在以运输机械为首的各种产业中，铝合金被大量使用。同时铝合金加工用刀具也呈现高水平、多样化的趋势。三菱综合材料公司开发的铝合金加工用面铣刀“NF10000”使用特点如下：

为防止铣刀高速旋转时出现因转动平衡不均引起振动、固定力量弱时离心力使刀片飞散等现象，NF10000采取在刀片上设置3°锥面、对刀体进行CAE强度解析等措施，保证了高速切削的稳定性。例如在铣刀直径为Φ100mm时的最大允许转速是1600.0min-1，可实现4390ｍ/min的切削速度。

此面铣刀使用金刚石烧结体刀片。相对铣刀刀体中心轴，刀片安装面有一定倾斜，所以将刀片在横向推出时，在纵向也会露出，但是横向与纵向的露出量不同。对刀片进行重磨的情况下，正面方向和外圆方向重磨量按照B(≤0.73mm)=A(≤2mm)×tan20°进行重磨可保证铣刀直径、刀刃高度保持一定。

切削刃正面误差过大不仅恶化加工表面粗糙度，而且会导致毛刺及影响切削刃寿命。因此，切削刃正面误差的管理尤其重要。此种平面铣刀将切削刃正面误差控制在5μm以下，使铣刀原有的性能得以充分发挥。切削刃误差修正装置采用楔块方式，使得操作简单并实现高精度的误差修正。

图6 铝合金加工用面铣刀三菱NF10000

刀片的副切削刃是左右加工表面粗糙度的最关键的要素。NF10000所使用刀片的副切削刃宽为3mm，并采用半径为250mm的大圆角，加上金刚石烧结体所持有的良好的耐熔附性，可以实现表面粗糙度为Ry = 2μm以下的良好的加工面。(三菱综合材料公司供稿)

肯纳的高效、低成本解决方案

肯纳金属(Kennametal)集团为满足汽车制造业和其它行业不断增长的需求，开发高效刀具，为用户提供全套解决方案，提高客户的竞争能力。例如，肯纳旗下的德国WIDIA公司，经过不断的努力和持续的改进，开发了成套高效系列加工刀具。在曲轴加工方面，肯纳金属拥有曲轴内铣、曲轴高速外铣、车拉、车车拉等各种专用高效刀具。如采用多排车车拉刀具，可32秒加工一根曲轴，世界上有1800多个用户在使用肯纳及WIDIA刀具进行曲轴生产。

随着中国汽车行业由高速发展转入稳定发展，汽车制造业在对刀具制造商提出了高效刀具的基础上，又提出了大幅降低生产成本的要求。美国肯纳相继开发了用於发动机缸体、缸盖(铸铁)加工的系列盘铣刀。安装六边形正反两面共12刃口刀片、同时保证最大可用切削深度的M750粗铣盘铣刀和FIX-PERFECT卧装刀片的精铣盘铣刀，该系列刀具在保持了每齿进给达0.5mm的高效的同时，精加工的表面粗糙度数值可至0.8，而且大幅度降低了制造成本。在M750的运用中，工序加工成本大约可以降低35%。

图7 肯纳金属拥有曲轴内铣、曲轴高速外铣、车拉、车车拉等各种专用高效刀具

在发动机的孔加工方面，铸铁加工应用的肯纳高效SE HPC 硬质合金钻头的钻尖设计极其优秀，已成为世界一流的高效钻头。为了进一步降低加工成本，肯纳德国公司又相继开发了钻头与刀片复合一起的发动机加工专用特殊刀具，发挥刀片的低成本优势，简化钻头的复杂程度，方便重磨的操作，降低客户生产中的刀具使用成本。这些高效的孔加工刀具，在渖阳华晨宝马的发动机厂已得到广泛应用，取得了良好效果。(肯纳飞硕金属(上海)有限公司供稿)

株钻整体硬质合金孔加工刀具新突破

株硬集团株洲钻石切削刀具股份有限公司是中国最大的硬质合金切削刀具生产、研发基地。近年来，在硬质合金基体材料、涂层技术、刀具结构设计、刀片槽型开发等方面取得了重大突破。

2004年推出新的牌号“黑金刚”系列，即YBD052、YBD102、YBD152和YBD252，是专门针对铸铁高效加工而开发的，其加工的线速度可以提高到500m/min，提高生产效率2~3倍，并具有良好的使用寿命，在汽车制造、家电制造等行业得到推广应用。

2004年推出的超微细PVD涂层的牌号YBG102、YBG202和CVD涂层的牌号YBM351，可大幅度提高模具加工效率。采用超细颗粒0.4μm硬质合金棒料，加工铝材的高速铣刀系列其转速可达到30000r/min，切削速度2000m/min，进给速度2m/min；加工钢材的专用高速铣刀系列为精加工用刀，其转速可达到30000r/min，切削速度2000m/min，进给速度2m/min。

图8 株钻可转位刀片及其配套刀具

汽车制造工业专用刀具系列，包括高效内冷钻头、阶梯钻、深孔钻、精密复合铰刀、硬质合金丝锥，以及钻铰、钻攻、钻铣一体化刀具系列，特别是用钻—铰替代钻—镗工艺，大大地加快了生产的节拍，降低了刀具成本，已广泛应用于上海大众、一汽大众、上海通用、神龙富康、东风本田和重庆庆铃等先进汽车生产厂家。

公司针对汽车零件的加工要求和生产配置等要求，进行刀具配套设计和开发，解决过许多发动机缸体、缸盖、连杆、凸轮轴和曲轴等加工方面的技术难题，如缸体、缸盖的面铣刀、台阶钻、气门孔铰刀、凸轮轴的车拉刀等。(株洲钻石切削刀具股份有限公司供稿)

提高加工刹车盘时CBN的寿命

德国Lemge的PBS公司采用GG15、GG20和GG25材料生产刹车盘，种类多达220 种。加工刹车盘时基本上是完全乾式加工，而且通常使用陶瓷切削材料，目前该公司还在搜寻更好的切削材料。PBS公司的技术经理Hans Konrad说，“使用陶瓷切削材料，每个切削刃平均能加工200个刹车盘，但如果我们使用CBN，我们必须使每个切削刃能至少加工 2000 个刹车盘。”换句话说，“只有当它是划算的”，换成一种新的切削材料才是值得的。

作为铣削飞轮和相近零件所用刀柄和整体硬质合金刀具的供应商，山高早已被PBS公司熟知。山高发现使用CBN获得稳定的加工性能依赖于许多参数：除了必须在加工之前至少时效处理十二天之外，铸件一定不能合金化，因为这会使刀具寿命缩短到绝对的最小值，即便是在相当长的时效处理之后。因此在PBS公司CBN的使用限于非合金铸件，合金铸件仍然采用陶瓷刀具进行加工，而山高目前用CBN300加工含Cr铸铁的发动机缸体已经取得极好的效果。同时，CBN刀片本身也已经朝着提高工艺稳定性和可靠性方向进一步发展。

图9 在双主轴立式机床上加工的刹车盘—完全干式切削

山高和PBS的专家认为，除了铸件的时效和成分结构之外，还有一个重要的因素就是熟悉CBN的加工特性和经良好培训的人员。PBS公司NC编程负责主管Manfred Krimp说，“与陶瓷刀片相比，使用CBN刀片最大的问题是它们对外部影响非常敏感，尤其是当它们没有被绝对小心的操作时。”例如，为了确保在刀杆上的正确安装，刀片的表面在翻转之前必须彻底清洁，归因于它们在非常长的使用期内必须被磨平，否则将会产生切削刃上的积屑瘤。

每个切削刃至少加工4000个零件是下一步的生产目标——这个目标在粗加工应用时已经达到了一半，弱点仍然是精加工。Hans Konrad 看到了刀片几何形状方面最具改进的潜力——他期望不久看到“来自山高的新解决方案”。(山高刀具集团供稿)

应对铸铁加工的陶瓷刀片“Si₃N₄”CTN3105

针对汽车铸件产品制造水平的要求提升，森拉天时适时研制出高效能的陶瓷“Si₃N₄” CTN3105刀片以应对市场的要求。

图10 MaxiClick-站式切槽切断刀具系统

森拉天时冶金学家研制出最新的氮化陶瓷刀片，除拥有高抗磨和高抗氧的特点外，同时还结合高韧度特性，适用於汽车铸铁零件加工，如刹车踏板、发动机气缸等。无论在确保工序的稳定和安全性，以及大量加工灰铸铁工件等任何特殊情况下，使用该刀片所加工出的工件效果非常理想，达到客户的要求。

森拉天时有特色的氮化陶瓷刀片还有：拥有特高韧度的氮化陶瓷CTN3110，是特别为转轴工业而设，用于重切削加工。CTM3110氮化陶瓷，是配合CVD化学涂层而制成的陶瓷刀片，主要应用于加工一些会与刀片产生极大化学作用的材料上，例如铬化合金铁及球墨铸铁“GGG40”。CTS3110氮化铝混合陶瓷，专为预硬转轴和预硬铸铁的精加工而设计。(森拉天时公司供稿)

可乐满AutoTAS刀具管理系统

经验表明：16%的计划作业停止是由于缺乏刀具造成的；30~60%的刀具库存不在控制之中；20%的机械师时间花费在查找刀具上；40~80%的监督人员时间花费在寻求刀具上。而研究表明：刀具管理系统的有效实施将提高机床工作时间50%，并降低刀具库存至40%。任何成功的刀具管理系统的基础是对所有使用的刀具编制目录——从人工记录或从电子样本中自动编制目录。这个核心数据库可提供不可或缺的每种工具的知识库——从仓库位置、成本、供货商、切削性能和刀具寿命到所用的机床和加工的零部件。

图11 AutoTAS的主菜单显示了可使用的模块。

山特维克可乐满的AutoTAS是一个高度集成系统，可与MRP/PPS系统、CAM系统、presetters、Pater Noster、code-carriers等集成在一起。它提供对切削刀具、量具、夹具整个寿命周期的控制，覆盖了从采购、统计与报告、刀具室计划支持和质量管理，集成了从设计到制造的全过程。由于AutoTAS是由11个充分集成的、但又是分离的模块组成，因此系统可按用户的要求以公司级别或个人用户级别进行定制。同时它还具备用于添加新功能的保护性升级途径，从而可确保将来不断变化的需要。

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