老虎刀片在发动机加工中的应用

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$ ]* S4 L, [3 H& g2 J/ K: R& Q$ {- d* l2 z3 h' ~ 9 {% y2 L/ N/ s8 s5 f6 h' G9 f6 ]6 `$ u3 T6 c8 R" |: } 图1 MAHLE的发动机缸体 老虎刀片(Tiger·tec)是瓦尔特有限公司专门研制的加工铸铁用的新型硬质合金镀层刀片。众所周知，发动机的缸体大部分是采用灰口铸铁制造的。在老虎刀片出现之前，为了保证加工的稳定性和加工效率，许多发动机制造商都采用陶瓷刀片进行缸体的加工。MAHLE是一家专门制造摩托车发动机的厂商，他们也认为硬质合金刀具很难达到他们的加工需要。他们汽缸孔采用类似HT250(其内部牌号为Niresist)的灰口铸铁制造，粗镗加工的孔径为80mm，孔的长度为150mm。在单面余量为2mm的粗镗加工中，使用专用的双刃镗刀和某公司的陶瓷刀片SNGN120712 SL500(由于控制切削力的需要，他们有时也使用SNGN120716的刀片)，加工的刀具寿命为70个工件。供应他们陶瓷刀片的那家公司是欧洲陶瓷刀片技术的领导者，在陶瓷刀具方面具有相当高的竞争能力。2000年开始，当地的瓦尔特工程师向他们推荐了老虎刀片SNMA120416 WAK10，令他们吃惊的事发生了。虽然老虎刀片的每分钟375m的切削速度比陶瓷刀片每分钟500m的切削速度略有降低，但由于进给率由原来陶瓷刀片每齿0.2mm增加到了每齿 0.27mm，其加工效率比的陶瓷刀片略高(1.25%)。在这样的条件下，瓦尔特老虎刀片的寿命同样可以稳定地达到70件，有时甚至达到80件，可以说与陶瓷刀片相比，在寿命方面一点也不逊色。同时由于硬质合金刀片的韧性高于氮化物陶瓷，老虎刀片至今未发生原来经常出现的刃口崩碎现象，MAHLE的加工人员不再需要对此进行经常性的严密监控。由于老虎刀片的价格较陶瓷刀片低许多，MAHLE公司在采用老虎刀片后的经济效益非常明显。在采用瓦尔特公司的老虎刀片以前，他们每年用于采购该工序的刀片费用约为51,000欧元，而当采用老虎刀片后，他们加工该工序的刀片费用已经降低到40,700欧元，下降幅度超过20％。通过这一技术革命，MAHLE公司不仅直接降低了刀具采购成本，减少了加工中切削刃崩碎的风险，还减少了刀具品种(不再需要两种不同的刀尖圆弧半径)，同时由于加大刀尖圆弧半径又提高了表面粗糙度的等级从而减少了后道工序的研磨时间。 9 A+ G. l& D- g- f, _6 } 对于原来就使用硬质合金刀片来加工发动机铸铁件的，老虎刀片一般都能使发动机制造商的生产效率得到显著提高。 GKN是全球著名的汽车零部件生产商之一，他们在英国的工厂就有发动机缸体生产线。GKN英国工厂长期使用某著名刀具公司的SNMA 150616-KR GC3015刀片进行缸体的粗加工，该刀片每年的消耗量大约为5,000件。生产GC3015的是世界范围刀具行业的领头羊，在切削行业的巨大成绩有目共睹。在试用瓦尔特老虎刀片以前，许多刀具供应商在那里进行过试图替代GC3015刀片的尝试，结果这些尝试都以失败告终。这种情况使得GKN英国工厂的金属切削专家甚至得出过他们所使用的GC3015刀片是无法替代的结论，以至当瓦尔特有关专家向他们推荐老虎刀片时不愿相信老虎刀片的威力。但在瓦尔特专家充分介绍了老虎刀片的成功经验并同意按照在GKN的条件进行切削试验后(这些条件连他们自己都认为几乎是苛刻到难以想象)，GKN英国专家终于同意对此进行切削试验。试验获得了圆满成功。GKN英国使用GC3015刀片时，使用170m/min的切削速度和0.6mm/r的进给率来进行加工，而使用瓦尔特老虎刀片时切削速度提高到了285m/min，进给率同时也增加到0.8mm/r，而切削深度仍然维持在5mm的水平上。我们知道通常切削速度的提高将意味刀具寿命的急剧下降，比如通常切削速度提高25%，以加工工件计的刀具寿命将减少约40%。而瓦尔特的老虎刀片在如此提高切削参数后，以加工工件计的刀具寿命仍然达到了GC3015的同样水平。虽然老虎刀片的价格较GC3015贵不少，但由于提高了加工效率，GKN英国工厂仍然决定用瓦尔特老虎刀片来替代GC3015刀片。因为瓦尔特老虎刀片的加工效率提高到原来GC3015的约224%，由此大量节约了加工费用。扣去购买刀具增加的费用，GKN英国因此将每年降低制造费用387,300英镑。 + \( L, }% |" B L0 r& ^5 N% a& i. P# X+ u/ N+ z, H/ t/ r5 V& B* U& v+ e2 r 图2 John Deere的发动机缸盖 " D% }. k" Y' V7 s9 r SN车刀片 ( M5 w2 g8 ^% A6 ?7 t- H9 e AP铣刀片 图3 瓦尔特老虎刀片 ; h. J+ A( F3 x6 t/ ]1 a' ^" W% x 图4 氧化铝镀层厚度与裂纹情况对应关系 试验条件： 工件材料GG26Cr 3 {7 F+ o) E( Q( a; p9 p 干切削 7 D5 m) n) Y& {0 K 直径125mm的45°主偏角面铣刀 SEHW1204AFN铣刀片 / d9 t" ?) }& Q O- y: E Vc=477 m/min，fz=0.2 mm ap=3 mm，ae=110 mm John Deere是美国一家制造农用车辆、工程车辆以及发动机及其部件的公司。他们的发动机缸盖有的是用铸铁制造的。他们原先使用著名的某以铣削刀具著称公司的6K5A06R01铣刀进行精加工，该直径约152mm的铣刀使用10个一般刀片(LPE324-03)和2个修光刀片(LPE324-0 wipers)，刀片材料为722。采用该铣刀时他们以约274 m/min的切削速度和0.13mm/Z的进给率，进给速度为873mm/min进行加工。采用瓦尔特的老虎刀片后其切削速度提高到305m/min，进给率保持在0.127mm/Z，进给速度提高到965mm/min，而且只用瓦尔特刀具加工时不需要修光刀片。John Deere的金属加工专家对此感到十分高兴，老虎刀片成为他们在该项目唯一合乎逻辑的选择，为此一次购买了7个瓦尔特的铣刀盘。因为使用老虎刀片，他们的刀具费用降低了55%，而整个加工费用也由于刀具费用的降低和加工效率的提高而降低了约6.5％。使用老虎刀片使他们降低了加工费用，降低了刀具费用，改善了加工质量，简化了刀具管理。 是什么使老虎刀片在粗加工铸铁时能提供高于以往的切削速度呢？瓦尔特公司技术部门作出了自己的解释。他们说首先是镀层技术起了主要作用。实践表明，加工铸铁尤其是粗加工铸铁时，黑色的氧化铝镀层无疑是最佳选择。而且，我们从图4可以看到，氧化铝镀层的厚度与梳状裂纹的发生成反比。但由于厚的镀层会对镀层的结合力构成伤害，刀具的常规镀层一般较薄。而瓦尔特老虎刀片的研发人员通过大量的研究试验开发出一种特殊的中间层，从而提高了镀层的结合力而允许镀层厚度得以增加，这样更耐用的氧化铝镀层得到了充分的发挥。同时硬质合金基体也作了进一步的改进而使其更加耐磨。老虎刀片的高切削速度和工艺可靠性很大程度上归结于氧化铝镀层通过一个特殊的中间层与经过改良的碳化钨基体结合在一起。值得注意的是在瓦尔特集团总部所在地图宾根的试验结果表明抗磨损能力的提高和缓解产生梳状裂纹的特性使老虎刀片的切削性能得到了充份提高。这就是为什么在加工铸铁时，老虎刀片具有超强耐磨性。 黑色和金色的颜色搭配也具有很高的实用性，瓦尔特公司参与老虎刀片开发的Joerg Drobniewski说：“毫无疑问，粗加工铸铁时，具有氧化铝镀层的硬质合金刀片应该是首选，其主要的缺点是黑色镀层使磨损的痕迹变得难以辨认。” 依照Joerg Drobniewski的说法，这是老虎刀片的法宝：“通过黑色的前刀面和金色的后刀面，我们能有效地辨认刀具的磨损”。 通过用于粗加工铸铁的老虎刀片，瓦尔特公司实现了一个巨大的变革。通常国际上的著名刀具公司都具有某些方面的竞争优势，我们的个案比较说明了在那些场合我们的特定产品比客户原先使用的竞争对手产品更为合适。至少在实际应用中的性能，老虎刀片在加工铸铁的镀层硬质合金刀片方面实现了飞跃性的发展，达到了先前只有陶瓷刀片才能达到的切削效率和使用寿命，在经济效益方面具有明显的竞争优势。