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汽车制造业:机床上刀具的应用案例研究

    近年来,长城公司轿车发动机厂采用世界著名机床厂家的高速、高效加工中心组建了3条柔性机加生产线,与世界著名刀具厂家美国肯纳公司一起,结合所加工的产品精心选择刀具,正在努力实现高速高效切削。

(1)KSCM-AluMill面铣刀

    在缸体和缸盖生产线,我们将肯纳KSCM-AluMill面铣刀用于铝合金缸体和缸盖的平面铣削加工。此刀具由钢制刀盘和铝制刀体组成,在保证足够刚性的前提下减轻了重量,而且双金属结构也减少了加工振动。该刀具具有高金属去除率、低加工毛刺及高加工效率等特点,非常适用于高速切削。KSCM-AluMill面铣刀有5种形式的刀夹,不同刀夹相互搭配用于粗铣和精铣,可达到不同的表面粗糙度,也可同时安装粗铣和精铣刀夹,粗精加工一次完成,缩短加工时间,提高工作效率。

    实际加工中我们选用了适用于加工低硅铝合金,具有高耐磨性、高寿命的KD1415和KD1420两种PCD切削材料刀夹。KD1415刀片硬度较高,适于加工余量均匀,硬度一致的表面,因此将其用于缸体、缸盖上下和前后表面的精加工;KD1420刀夹,刀片韧性较好,适用于余量不均匀,硬度不一致的表面,将其用于粗加工。精加工后,缸体、缸盖上下面、前后面等大平面的平面度误差最大不大于0.02mm,最小达到0.0034mm,平均平面度误差不大于0.01mm,表面粗糙度低于Ra0.8,加工节拍满足要求。KSCM-AluMill面铣刀更换刀夹时,仅做轴向调整,不需要径向调整,具有调整方便、调整时间短和调整精度高的特点,在长城公司实际使用时实现了轴向调整偏差不大于0.003mm,使切削负荷均匀分布到每个刀齿上,有效地延长了刀具寿命。经几个月的试加工,KSCM-AluMill面铣刀铝合金加工效果良好。

    仅举缸体顶、底面精铣为例,顶面精铣刀盘Φ100、Z12(9个精铣刀夹、3个修光刀夹),修光量0.008+0.002mm,整体焊接PCD刀片;加工参数:V=2500m/min,fz=0.12mm/z,Vf=11.5m/min;精铣后实测试件,表面粗糙度Ra0.8,平面度误差<0.004,节拍满足要求。底面精铣刀盘Φ200、Z24(18个精铣刀夹,6个修光刀夹),加工参数:V=2500m/min,fz=0.12mm/z,Vf=14.3m/min;加工后实测试件,表面粗糙度Ra0.8,平面度<0.004mm,节拍满足要求。

(2)复合加工刀具

    复合加工是提高加工效率的一个非常有效的手段,几个加工内容用一把刀在一次加工中完成,减少了换刀次数,节约了辅助时间,提高了生产效率。阶梯钻是最简单也是最常见的一种复合加工刀具,带倒角刃的钻头就是最简单的阶梯钻。在缸体、缸盖孔系加工中,孔口需要倒角的钻孔加工都选用了这种简易阶梯钻,取得了良好的效果。例如,肯纳直槽180°顶角TX阶梯钻头,钻孔时径向力几乎为零,4条直线刃带沿圆周对称分布,导向性好,兼具修光作用,使钻孔的直线度和位置度得到大幅提高。缸体和缸盖孔系加工中,选用的另一种复合钻头是圆周均布3个切削刃的TF钻头,它钻芯比二刃钻头厚、强度高,弥补了硬质合金韧性差的弱点;刀尖前端特殊形状,可自动定心,不需加工中心孔;切削刃多使每转进给量增大(切铝时可达20m/min),强度高,可进行高速切削(切铝时最高可达1000m/min),从而大幅度缩短了加工时间,提高了加工效率,尤其适于深孔加工,尺寸精度最高可达H9,位置精度最高可达±11μm,粗糙度Rz20~25。

    在长城曲轴生产线,选用了肯纳整体硬质合金SE阶梯钻头,与普通高速钢钻头相比有更高的钻孔圆度,高速钢钻头的钻孔圆度最高可达到20μm,而SE钻头的钻孔圆度仅为前者的1/5。按照这一钻孔形状精度,我们完全可以考虑免去扩孔这一工序,在某种场合,甚至可以替代要求不高的铰孔(譬如挤压螺纹的螺纹底孔)。这种钻头的特点是横刃修磨的较短,可减少轴向力近50%;钻芯附近前角为正值,因此切削刃更锋利;槽形为抛物线型,钻芯厚度更大,钻头强度更高、刚性更强;有两个喷油冷却孔,冷却条件好;圆弧形切削刃和排屑槽型布置合理,便于切屑断裂成小块顺利排出。该钻头用于曲轴前后端钻孔,效果良好。

(3)精密孔加工刀具

    现代工业的飞速发展对孔的尺寸精度、几何形状及表面粗糙度提出了更高的要求,尤其是汽车工业,即要求高精度又要求大批量,因而迫切需要高效率的精密孔加工刀具。金刚石铰刀正是适应这种需要而发展起来的一种精密刀具。在缸盖生产线导管和座圈底孔等工位,使用了肯纳多刃整体焊接PCD铰刀;缸体缸盖定位孔的精加工,使用了肯纳Bencere分体式可转位PCD铰刀,实现了高速高效切削,充分发挥了高速加工中心的性能,大大提高了加工效率。现场实际抽测部分产品?8、?10和?13三组孔,尺寸变动范围在0.014之内,尺寸精度最大误差不到公差的60%,平均误差小于0.005mm,孔的表面粗糙度<Ra0.8。

    缸体曲轴孔精加工和缸盖凸轮轴孔精加工使用了肯纳BencereQUATTRO-CUT刀具,4刃可转位刀片安装在高精度锯齿状刀窝中,尺寸精度控制在μ级。与传统分体式可转位刀具相比,QUATTRO-CUT刀具只需调整刀片径向高度,不需要调整刀片背锥,缩短了调整时间。按抽测记录,精镗曲轴孔。尺寸精度加工误差<0.018mm,同轴度误差<0.016mm,最小误差仅0.0021mm,粗糙度<Ra1.6;精镗凸轮轴孔,同轴度误差<0.007,最小误差为0.0014mm,圆度误差<0.002mm,位置度误差<0.063,最小误差为0.0148mm,尺寸精度偏差<0.018mm,最小偏差为0.0044mm。两组孔的加工都能满足节拍要求,试加工至今已累计生产几百件,效果良好。

(4)缸孔和曲轴加工刀具

    长城公司缸体生产线上的缸体,缸孔镶铸铸铁缸套,缸孔粗加工是大余量的铸铁加工,需要刀具有高的强度和韧性,经仔细斟酌使用了肯纳Fix-Perfect刀具。Fix-Perfect刀具系统是一个不同正负角组合的产品系列,其特点在于:刀片负的径向前角和正的轴向前角,正的轴向前角减小了轴向切削力,并且与负的径向前角形成了很好的剪切作用,便于断屑。正的轴向前角使切削力向着主轴,使铣刀工作更稳定;而且,负的径向前角能使最早切入工件的“冲击点”离开刀尖,对刀尖起保护作用。刀片立装,刀刃的下部有较强的实体支承,增加了刀刃强度。Fix-Perfect刀具加工精度、表面粗糙度都不错,惟一不足就是寿命太低。

    在曲轴生产线上,主轴颈及前后端轴颈的加工全部使用了KM工具系统。KM工具系统由美国肯纳金属(Kennametal)公司及德国WIDIA公司联合研制,其基本形状与HSK很类似,也是采用了1:10的空心短锥配合和双面定位方式。其主要的差别在于夹紧机构的不同,KM刀柄是使用钢球斜面锁紧,夹紧时钢球沿拉杆凹槽的斜面被推出,卡在刀柄上的锁紧孔斜面上,将刀柄向主轴孔拉紧,刀柄产生弹性变形使刀柄端面与主轴端面贴紧。KM工具系统具有高刚度、高精度、快速装夹和维护简单等优点。试验证实,KM刀柄的动刚度比HSK系统更高。

    在曲轴主轴颈、前后端轴颈的车削加工中使用了KC9315等涂层硬质合金刀片,该刀片CVD复合涂层中有很厚的K-MTCVD氧化铝层,抗磨损性能极佳,厚的KMTCVDTiCN涂层确保了长寿命,可以进行高速连续切削或者轻微断续切削,特别适合加工灰口铸铁或延展性铸铁。在曲轴加工中切削速度达到223m/min,节拍满足要求,实现了高速、高效加工。

 


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