PCD刀具在汽车制造业的应用

国际金属加工网 2016年07月12日

根据欧洲铝业协会(EAA)发表的研究结果,在欧洲,1990年时每辆新汽车的用铝量为50公斤;到2005年,该数字已上升到132公斤;预计到2010年,每辆新汽车的用铝量可能还会再增加25公斤。根据这份研究报告,在2005年欧洲生产的新汽车中,铝制零件的重量达到了200万吨。由于采用铝制零件使汽车重量减轻,每年可以节约10亿公升燃油,并且在这些汽车的生命周期中,可使二氧化碳排放量减少大约4000万吨。

在汽车的车身中,大部分铝制零件集中在空调系统、发动机盖、减震器零件和转向柱上;在汽车底盘和悬挂总成中,铝制零件主要集中在轮毂、悬挂支架和转向系统装配件上;在动力传动系统中,大部分铝制零件位于汽缸盖、汽缸体、发动机罩、泵和冷却器上。此外,铝合金在密封件、车身外壳和底盘上的应用也在不断增加。

用密度较小的材料取代钢作为常规结构材料在其他一些行业(如通用机械制造业航空工业)也具有重要意义。但是,由于铝合金的硬度不太高,并且具有较高的韧性,因此其切削加工比较困难。在加工时,铝合金容易与刀具材料发生粘结并出现冷作硬化现象,因此在低速切削时,刀具的前刀面上容易产生积屑瘤。

干式切削加工

由于对环境影响的敏感性,汽车零件正越来越多地采用干式切削或在加工时采用最少量的冷却液。在节约冷却成本(包括与之相关的废液回收处理成本)的推动下,也正在促使切削速度大幅度提高,而采用常规硬质合金刀具不可能实现这种高速切削加工。

用常规的刀具或刀具材料进行干式切削时,由于刀具切削刃几何形状的变化,加上在切削区由摩擦引起的热量增加,导致被加工工件表面光洁度较差。

更高的机床转速

最后但并非最不重要的一点是,机床技术的发展使其主轴转速和进给量不断提高,从而实现了更快速的切削加工。仅仅在几年前,机床的主轴转速还只有 6000r/min,而如今已经达到30000-40000r/min,轴的运动加速度可达到2G。这种机床在强大的计算机能力支持下,能够实现加工所需的运动功能(如螺纹铣削中的螺旋插补运动)。为了能在作用点将这种速度优势转换为加工优势,就需要采用相应的刀具材料。然而,如果采用硬质合金刀具,其切削速度只能达到400m/min;而带有聚晶金刚石(PCD)切削刃的刀具其切削速度可高达3000m/min(根据切削工艺而有所不同)。除了更高的加工速度以外,PCD刀具的主要优势还包括更长的刀具寿命,以及(在许多情况下)更好的表面加工质量。

广泛的产品范围

德国Komet集团下属的JEL精密刀具公司为市场提供范围广泛的PCD刀具产品,其中包括采用硬质合金刀体的高效PCD钻头DRILLCUT和 DRILLMAX。这两种钻头能够钻削深度达5D的孔。DRILLCUT为直槽钻头,有2个切削刃和4条导向棱带,并设置了可供内部冷却的冷却液通道。 DRILLMAX也采用了相同的内冷却设计,但它是具有2条导向棱带的螺旋槽钻头。DRILLMAX钻头定位精确,钻孔精度可达到IT8-IT9级,并能获得很长的刀具寿命和良好的表面光洁度。该公司的产品系列中还包括PCD切槽刀具。加工时,该刀具的PCD切削刃先从工件上方沿中心孔钻入,然后偏离中心进行切槽加工,其最大切削深度可达刀具直径的两倍。这些刀具还能用于合适的铣削加工,以及加工圆形几何尺寸,可以获得良好的表面光洁度和无毛刺的切削边缘。标准的2刃PCD切槽刀具最小直径为6mm,3刃刀具的直径则为16-20mm。

高可靠性螺纹铣削

在复杂内螺纹加工领域,特别是涉及到螺纹铣削或开发特定加工的专用解决方案时,JEL公司是行业内少数几个技术权威之一。有名的MGF和TOMILL螺纹铣刀是最常用的加工刀具。采用PCD刀尖的MGF螺纹铣刀刀柄部位有一个沉孔,刀体采用硬质合金材料,特别适合加工铝合金和其他通常采用PCD加工的材料。该刀具可铣削M6-M12的标准螺纹尺寸,其切削刃长度为名义直径的2倍。同样,刀具直径为16mm和20mm的TOMILL(GWF)螺纹铣刀可以铣削加工直径≥20mm的螺纹。此外,JEL公司还提供面向加工的解决方案,这些加工方案包括了尽可能多的加工操作。采用PCD刀尖的钻头和螺纹铣刀(BGF)也已经面世,该刀具除了能加工出螺孔、90°倒角和螺纹以外,还能在一次加工操作中切削出可起保护作用的沉孔。

汽车零件加工实例

采用钻头和螺纹铣刀的VABOS-K模块化刀具概念(可变式钻削、锪孔和螺纹切削系统)的加工实例之一是在压铸铝件上加工火花塞螺纹。采用该刀具,通过一次加工,即可完成螺孔、90°倒角、锪孔、直径22mm端面锪孔以及M14×1.25螺纹的加工。该刀具的所有切削单元都采用了PCD刀尖。开发 VABOS-K模块化刀具系统的初衷是针对那些因为形状和尺寸,或因精度要求的缘故,无法在刀夹中使用可转位刀片的加工。为了加工90°倒角、锪孔和端面锪孔,将PCD切削刃直接焊接在VABOS-K刀头上,然后将刀头固定在刀体或刀夹上,并且刀体或刀夹可以很容易地卸下,以安装新的PCD切削刃。这种刀夹是一次性购买的附件。中心钻和螺纹铣刀可以方便地安装到位,而无需耗费时间进行调整。

JEL公司开发的专用刀具的另一个例子也是一种 VABOS-K刀具系统。该系统由一个整体硬质合金钻头和螺纹铣刀(BGF)组成,用于钻削内螺纹通孔、端面锪孔和在铝制壳体工件上铣制M6螺纹。该刀具的显著特色是可加工直径50mm的沉孔。只有使用PCD刀尖才能以10000r/min的稳定最大转速(相当于在直径50mm处以1570m/min的切削速度)进行加工。只有采用这种方式,才能实现极短的总加工时间(3.9秒)。

用于在燃油过滤器壳体上精加工预制孔的VABOS-M刀具系统上有一把PCD Tomill螺纹铣刀。通过一次加工操作,就能完成加工沉孔轮廓、锪孔、外缘去毛刺以及铣制S80×3锯齿型螺纹的工序。每孔加工时间可以缩短到难以置信的8.8秒。该刀具的一个特点是:螺纹铣刀的设计可使在工件上加工出的第一个螺纹为完整螺纹。

圆周切断与切槽加工

当需要在工件内径和外径上加工轮廓时(如在孔中开槽和加工凹腔),只有在柔性加工中心上进行圆周铣削和车削才有可能实现,而采用圆周切断与切槽则是一种可行的替代加工方法。这种加工方式将在车床上进行插车加工的原理颠倒了过来,与车削时工件旋转、刀具静止的方式不同,它是工件静止、刀具运动。刀具以机床数控系统产生的圆形插补路径被引入静止的工件中进行加工。在这种加工中,刀具切削刃在圆形插补路径的每一点都垂直于孔的圆柱面的切线。其结果是,刀具围绕工件每旋转一圈,它也仅围绕自己的轴线转动一周。采用圆周切断与切槽方式加工的表面不会产生圆周铣削特有的切痕面。用于加工铝件时,也可以提供采用PCD切削刃的此类刀具。

德国Komet集团由Komet精密刀具公司、Dihart精密刀具公司和JEL精密刀具公司三家企业组成。该集团在世界各地约有1500名员工,从事精密切削刀具的生产和销售,其主要技术领域为孔、螺纹的普通加工和精密加工、特殊螺纹切削、标准和专用PCD刀具以及车刀的制造。Komet集团尤其在机电一体化刀具(即带有用于切削刃定位的内置数控轴的刀具,以及具有NC控制轮廓加工功能的刀具)领域处于市场领先地位。


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