新闻中心:

【刀具材料】硬质合金与钨钢有什么区别   2021.05.26

 首页 > 新闻中心

热门关键词:

新闻中心

【切削基础】汽车发动机零件生产中的高性能刀具

浏览次数:11005/21/2021  

近年来,我国汽车工业发展异常迅速,实现了持续高增长,汽车及零部件制造业已成为机床和刀具行业很重要的

用户。发动机是汽车的心脏,也是汽车主要的组成部分,其零件制造工艺水平普遍高于其他汽车零件。发动机

制造业一个明显的走向就是采用高速加工技术来提高效率,缩短交货时间,降低生产成本,提高市场竞争力。从

而对与之生产加工紧密相关的切削刀具需求不断上升,同时也出现了很多新的要求。


发动机生产趋势


1.高速化


高速切削加工是实现高效率制造的核心技术,工序的集约化和设备的通用化使之具有很高的生产效率,具体有

“三高”:切削速度高(是常规切削的5~10倍)、机床主轴转速高(一般主轴转速在10?000~20?000r/min)、

进给速度高(通常达15~50m/min,可达90m/min)。因此,这项技术对刀具材料以及刀具结构、几何参数

等都提出了新的、更高的要求。其中,刀具材料的选择对加工效率、加工质量、加工成本和刀具寿命等都有重要

的影响。


2.柔性化


柔性化是发动机制造的发展趋势之一。在传统自动线的局部工位用CNC或加工中心来实现柔性加工的生产线称

为柔性自动线(FTL)。用专用加工中心构成的柔性制造系统则主要用于缸盖和缸体加工。从产量角度分析,可

以达到从传统的FMS系统起步产量的年产5万件到传统自动线的产年20万件。


3.高效化


从国外某汽车制造业的情况来看,平均每五年切削效率提高28%,其中切削速度平均提高19%,进给量平均提高

8%,而这几年切削效率的提高幅度在30%以上。目前制造发动机主要零件的生产节拍已经缩短到30~40s,

十几年前缩短了50%以上。例如,用高速加工中心铣削加工灰铸铁材料的缸体,切削速度可达到700~1500m/min,

刀具采用CBN刀片。铣削加工铝合金缸体、缸盖时,广泛采用PCD刀具,考虑到高速回转时会产生很大的离心

力,故刀体采用高强度铝合金材料制作。


高性能刀具材料


为满足高速切削加工要求,高性能刀具材料除应有普通刀具材料的一些基本性能之外,还应具备:①高的硬度

和耐磨性。高性能刀具材料的硬度必须高于普通加工刀具材料的硬度,一般在65HRC以上,刀具材料的硬度愈

高,其耐磨性愈好。②高的强度和韧性。刀具材料要有很高的强度和韧性,以便承受切削力、振动和冲击,防

止刀具脆性断裂。③良好的稳定性和热硬性。刀具材料要有很好的耐热性,要能承受高温,具备良好的抗氧化

能力。④良好的高温力学性能。刀具材料要有良好的高温强度、高温硬度和高温韧性。⑤较小的化学亲和力。

刀具材料与工件的化学亲和力要较小。


高性能刀具材料主要有:金刚石、立方氮化硼、氧化铝基和氮化硅基复合陶瓷、表面涂层硬质合金、超细晶粒

硬质合金等。


1. PCD (聚晶金刚石)


PCD刀具由于具有极高的硬度和导热性,低的热胀系数,高的弹性模量和较低的摩擦系数,刀刃非常锋利。在

加工铝和硅铝合金工件及其他非铁金属和极耐磨的高性能非金属材料时使用寿命极高,切削速度可达

2500~5000m/min。近年来,随着汽车制造业大量应用轻型材料(如铝合金、复合材料、塑料等),PCD刀具

的应用也大量增加。现在汽车发动机的缸体、缸盖、活塞及变速器壳体、阀体、槽体、侧盖等零件很多都采用

铝(合金)件,这些零件的加工大量采用了PCD刀具,取得很好的效果,一般每把刀都能加工几千件,甚至可

达2万件。实践证明,在加工某些壳体零件孔系中,将原来采用的硬质合金镗刀改为PCD刀具,刀具寿命从原来

的3000件提高到7万件,经济效益非常明显。


2. CBN(立方氮化硼)


CBN刀片的特点是硬度极高(仅次于金刚石),特别是红硬性好,在1000℃以上的高温下仍能保持其硬度和良

好的切削性能,具有优良的化学稳定性和导热性及低的摩擦系数。在适应高速切削需要的同时,也满足了一些

高硬度难加工材料零件的加工需要,在发动机缸体等铸铁类零件和气门阀座等粉末冶金零件的加工中获得了较

好的应用效果。如缸体缸孔的加工在半精镗和精镗工序中很多就采用了CBN刀片,切削速度可达800m/min,刀

具寿命是硬质合金刀具的一倍以上。在缸体的缸盖结合面的加工中,CBN铣刀切削线速度可达1200m/min以上,

高的甚至可以达到2000m/min,进给速度可达1000~2000mm/min。另外,CBN刀具还可用于加工淬硬工件,

因而可以实现以车代磨,如国外某公司在轴类零件的加工中,用CBN刀具进行轴上槽的车加工,代替了原来要

用成形砂轮进行的磨削加工。


3.陶瓷


作为高硬、高耐用材料同时又很有竞争力价格的刀具,陶瓷刀具是刀具家族中的一种新型刀具,是一种值得关

注和正在不断扩大应用领域的刀具。陶瓷刀具脆性大的缺陷正在得到改善,现在已有了增韧型陶瓷刀具,可应

用于铸铁工件的粗加工,如在发动机气缸体缸孔的粗加工中,无论是V形六缸发动机还是直列四缸发动机都采

用了陶瓷刀具进行缸孔的粗加工,显著提高了加工效率,其镗孔切削线速度可达700~800m/min。


4.涂层硬质合金


伴随表面工程和摩擦学的发展,涂层技术在近十几年来获得了突飞猛进的发展,技术和设备都越来越成熟,在

刀具上的应用也越来越广泛,成效明显,并且有多种新型涂层开发了出来。目前在加工汽车零件刀具上采用较

多的涂层有TiN、TiC、TiCN、TiAlN、ZrCN等,在钻头、铰刀、齿轮滚刀、丝锥上都获得很好的应用效果,刀

具寿命明显提高。如今在汽车零件制造业中硬质合金刀具75%进行了涂层,而且随着对刀具重磨要求的提高,

越来越多的重磨后刀具需要进行重新涂层,使涂层应用有了更广阔的前景。


刀具使用现状


发动机制造业一个明显的走向就是采用高速加工技术来提高效率,缩短交货时间,降低生产成本,提高市场竞

争力。


目前在汽车发动机零件生产中使用高性能刀具越来越广泛,如加工高强度铸铁件,一般采用CBN、SiN陶瓷、

Ti基陶瓷及TiCN涂层刀具材料制作的刀具,铣削速度可达2200m/min;加工高硅(Si)铝件采用PCD、超细硬

质合金刀具加工,其铣削速度也可达到2200


m/min,钻、铰削速度分别可达80m/min和24m/min;加工精锻结构钢件采用SiN陶瓷、Ti基陶瓷及TiCN涂层刀

具加工,其车削速度达200m/min。此外,在加工各种精锻钢制齿轮时,则采用高钴(Co)粉末冶金高速钢。其

表面涂覆TiCN的高速钢整体滚刀、剃齿刀,内、外表面加工的各类拉刀,其滚削速度为110m/min,剃齿切削速

度为170m/min,拉削速度为10~25m/min。


在刀具使用方面,主要是在数控机床上采用HSK空心短锥柄,可与各种多刃专用铣刀、复合式孔加工刀具组成

高速工具系统,完成多工序、多工位切削加工,其高速动平衡≤2.5G;采用自动径向进给刀具加工缸体曲轴孔及

轴承挡止推面,一次走刀完成孔与端面的镗削加工,可保证工件端面对孔的垂直度和两端面的相互平行度。


发动机生产今后的发展趋势是,将普遍采用高速(超高速)式切削技术。采用超硬材料制作的各类刀具、复合

(组合)或各类高速切削刀具的结构设计与制造技术将成为高性能刀具品种发展的主导技术。其中无屑加工工

艺的搓、挤、滚压成形类刀具的应用将会更加广泛;超硬刀具材料发展会更快,应用领域会更加扩大。


当前国内刀具行业的总体状态是起点低、起步晚,先进的高性能刀具仅仅是随着近年来数控高速机床的发展才

开始研发生产,因此高性能刀具产品基础比较薄弱,发展速度缓慢,竞争力不强。我国刀具制造行业要在国内

刀具市场占有更多的市场份额及参与国际竞争,根本的出路就是提升企业的整体刀具技术水平,在以下三个

方面要有所突破。


1.提高以硬质合金为主的各种刀具材料性能


在现代刀具材料的发展中,硬质合金起着主导作用(约占64%)。此外,其他刀具材料的性能也得到了显着改

善,扩大了各自的应用领域,形成了各种刀具材料既有独特优势、使用范围又相互替代补充的整体格局。正是

刀具材料的全面、迅速发展,为当今高速、高效金属切削加工奠定了基础。


硬质合金的性能不断改进,应用面不断扩大,成为切削加工的主要刀具材料,对推动切削效率的提高起到了重

要作用。首先,细颗粒、超细颗粒硬质合金材料的开发显著提高了硬质合金材料的强度和韧性,用它制造的整

体硬质合金刀具(尤其是量大面广的中小规格通用刀具如钻头、立铣刀、丝锥等)大量替代传统的高速钢刀具,

使切削速度和加工效率大幅度提高,将量大面广的通用刀具带入了高速切削范畴。其次,硬质合金加压烧结等

新工艺的开发和应用提高了硬质合金的内在质量,针对不同加工需求开发专用牌号的做法进一步提高了硬质合

金的使用性能。开发了具有良好抗塑性变形能力和韧性表层的梯度硬质合金,作为化学涂层硬质合金刀片牌号

的基体材料,提高了涂层硬质合金刀片的切削性能和应用范围。


2.涂层作为提高刀具性能的关键技术


刀具涂层技术近年来取得了重大进展,表面涂层已成为提高刀具性能的关键技术。化学气相沉积(CVD)仍然

是可转位刀片的主要涂层工艺,已开发出中温CVD、厚膜Al2O3、过渡层等新工艺,在改进基体材料性能的基

础上,使CVD涂层的耐磨性和韧性均得到显著提高。CVD金刚石涂层也取得了较大进展,提高了涂层表面质量,

并进入实用阶段。目前,国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达75%左右。在此期间,物理气相沉积(PVD)

涂层技术的进展尤为引人注目,在涂层炉结构、工艺过程、自动控制技术等方面都取得了新进展,不仅开发了

适用于高速切削、干切削、硬切削的高耐热性涂层(如超级TiAlN)以及综合性能更好的TiAlCN通用涂层和DLC、

W/C减摩涂层,而且通过对涂层结构的创新,开发了纳米、多层结构涂层,大幅度提高了涂层的硬度和韧性。


PVD涂层技术的新进展显示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特优势,通过对涂层工艺参数的控制和

对靶材、反应气体的调整,可不断开发出新的高性能涂层,以满足加工多样性的需要。涂层技术将成为提高和

改善刀具性能的捷径,有着十分广阔的应用前景。


3.不断创新刀具结构


随着制造业的高速发展,汽车工业等重要产业部门对切削加工不断提出更高的要求,推动着可转位刀具的持续

发展。为汽车流水线开发的专用成套刀具突破了传统的按需供刀、“闭门造刀”的做法,成为革新加工工艺、提高

加工效率、降低加工成本的重要工艺因素,发挥着重要的作用。


汽车工业的敏捷制造成为推动可转位刀具结构创新的强大动力,促进了多功能面铣刀、各种模块式立铣刀系统、

大进给铣刀等高性能加工刀具的不断涌现。为满足高效加工铝合金构件的需要,开发出了结构新颖的铝合金高

速加工面铣刀等先进刀具。


随着高效率数控机床的发展及普及应用,使立铣刀、钻头等通用刀具的几何参数进一步多样化,改变了标准刀

具参数“千篇一律”的传统格局,可适应不同的被加工材料和加工条件,切削性能也相应提高。一些创新的刀具

结构还可产生新的切削效果,例如,不等螺旋角立铣刀与标准立铣刀相比,可有效遏制刀具的振动,提高加工

表面质量,增大刀具的切削深度和进给速度;硬质合金丝锥及硬质合金螺纹铣刀的开发将螺纹加工效率提高到

高速切削水平,尤其是硬质合金螺纹铣刀,不仅加工效率高,而且通用性好,可显著降低刀具费用。

我要评论
内容 *
验证码*