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【刀具材料】硬質合金與鎢鋼有什么區別   2021.05.26

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【切削基礎】汽車發動機零件生產中的高性能刀具

瀏覽次數:32905/21/2021  

近年來,我國汽車工業發展異常迅速,實現了持續高增長,汽車及零部件制造業已成為機床和刀具行業很重要的

用戶。發動機是汽車的心臟,也是汽車主要的組成部分,其零件制造工藝水平普遍高于其他汽車零件。發動機

制造業一個明顯的走向就是采用高速加工技術來提高效率,縮短交貨時間,降低生產成本,提高市場競爭力。從

而對與之生產加工緊密相關的切削刀具需求不斷上升,同時也出現了很多新的要求。


發動機生產趨勢


1.高速化


高速切削加工是實現高效率制造的核心技術,工序的集約化和設備的通用化使之具有很高的生產效率,具體有

“三高”:切削速度高(是常規切削的5~10倍)、機床主軸轉速高(一般主軸轉速在10?000~20?000r/min)、

進給速度高(通常達15~50m/min,可達90m/min)。因此,這項技術對刀具材料以及刀具結構、幾何參數

等都提出了新的、更高的要求。其中,刀具材料的選擇對加工效率、加工質量、加工成本和刀具壽命等都有重要

的影響。


2.柔性化


柔性化是發動機制造的發展趨勢之一。在傳統自動線的局部工位用CNC或加工中心來實現柔性加工的生產線稱

為柔性自動線(FTL)。用專用加工中心構成的柔性制造系統則主要用于缸蓋和缸體加工。從產量角度分析,可

以達到從傳統的FMS系統起步產量的年產5萬件到傳統自動線的產年20萬件。


3.高效化


從國外某汽車制造業的情況來看,平均每五年切削效率提高28%,其中切削速度平均提高19%,進給量平均提高

8%,而這幾年切削效率的提高幅度在30%以上。目前制造發動機主要零件的生產節拍已經縮短到30~40s,

十幾年前縮短了50%以上。例如,用高速加工中心銑削加工灰鑄鐵材料的缸體,切削速度可達到700~1500m/min,

刀具采用CBN刀片。銑削加工鋁合金缸體、缸蓋時,廣泛采用PCD刀具,考慮到高速回轉時會產生很大的離心

力,故刀體采用高強度鋁合金材料制作。


高性能刀具材料


為滿足高速切削加工要求,高性能刀具材料除應有普通刀具材料的一些基本性能之外,還應具備:①高的硬度

和耐磨性。高性能刀具材料的硬度必須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高的強度和韌性。刀具材料要有很高的強度和韌性,以便承受切削力、振動和沖擊,防

止刀具脆性斷裂。③良好的穩定性和熱硬性。刀具材料要有很好的耐熱性,要能承受高溫,具備良好的抗氧化

能力。④良好的高溫力學性能。刀具材料要有良好的高溫強度、高溫硬度和高溫韌性。⑤較小的化學親和力。

刀具材料與工件的化學親和力要較小。


高性能刀具材料主要有:金剛石、立方氮化硼、氧化鋁基和氮化硅基復合陶瓷、表面涂層硬質合金、超細晶粒

硬質合金等。


1. PCD (聚晶金剛石)


PCD刀具由于具有極高的硬度和導熱性,低的熱脹系數,高的彈性模量和較低的摩擦系數,刀刃非常鋒利。在

加工鋁和硅鋁合金工件及其他非鐵金屬和極耐磨的高性能非金屬材料時使用壽命極高,切削速度可達

2500~5000m/min。近年來,隨著汽車制造業大量應用輕型材料(如鋁合金、復合材料、塑料等),PCD刀具

的應用也大量增加。現在汽車發動機的缸體、缸蓋、活塞及變速器殼體、閥體、槽體、側蓋等零件很多都采用

鋁(合金)件,這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幾千件,甚至可

達2萬件。實踐證明,在加工某些殼體零件孔系中,將原來采用的硬質合金鏜刀改為PCD刀具,刀具壽命從原來

的3000件提高到7萬件,經濟效益非常明顯。


2. CBN(立方氮化硼)


CBN刀片的特點是硬度極高(僅次于金剛石),特別是紅硬性好,在1000℃以上的高溫下仍能保持其硬度和良

好的切削性能,具有優良的化學穩定性和導熱性及低的摩擦系數。在適應高速切削需要的同時,也滿足了一些

高硬度難加工材料零件的加工需要,在發動機缸體等鑄鐵類零件和氣門閥座等粉末冶金零件的加工中獲得了較

好的應用效果。如缸體缸孔的加工在半精鏜和精鏜工序中很多就采用了CBN刀片,切削速度可達800m/min,刀

具壽命是硬質合金刀具的一倍以上。在缸體的缸蓋結合面的加工中,CBN銑刀切削線速度可達1200m/min以上,

高的甚至可以達到2000m/min,進給速度可達1000~2000mm/min。另外,CBN刀具還可用于加工淬硬工件,

因而可以實現以車代磨,如國外某公司在軸類零件的加工中,用CBN刀具進行軸上槽的車加工,代替了原來要

用成形砂輪進行的磨削加工。


3.陶瓷


作為高硬、高耐用材料同時又很有競爭力價格的刀具,陶瓷刀具是刀具家族中的一種新型刀具,是一種值得關

注和正在不斷擴大應用領域的刀具。陶瓷刀具脆性大的缺陷正在得到改善,現在已有了增韌型陶瓷刀具,可應

用于鑄鐵工件的粗加工,如在發動機氣缸體缸孔的粗加工中,無論是V形六缸發動機還是直列四缸發動機都采

用了陶瓷刀具進行缸孔的粗加工,顯著提高了加工效率,其鏜孔切削線速度可達700~800m/min。


4.涂層硬質合金


伴隨表面工程和摩擦學的發展,涂層技術在近十幾年來獲得了突飛猛進的發展,技術和設備都越來越成熟,在

刀具上的應用也越來越廣泛,成效明顯,并且有多種新型涂層開發了出來。目前在加工汽車零件刀具上采用較

多的涂層有TiN、TiC、TiCN、TiAlN、ZrCN等,在鉆頭、鉸刀、齒輪滾刀、絲錐上都獲得很好的應用效果,刀

具壽命明顯提高。如今在汽車零件制造業中硬質合金刀具75%進行了涂層,而且隨著對刀具重磨要求的提高,

越來越多的重磨后刀具需要進行重新涂層,使涂層應用有了更廣闊的前景。


刀具使用現狀


發動機制造業一個明顯的走向就是采用高速加工技術來提高效率,縮短交貨時間,降低生產成本,提高市場競

爭力。


目前在汽車發動機零件生產中使用高性能刀具越來越廣泛,如加工高強度鑄鐵件,一般采用CBN、SiN陶瓷、

Ti基陶瓷及TiCN涂層刀具材料制作的刀具,銑削速度可達2200m/min;加工高硅(Si)鋁件采用PCD、超細硬

質合金刀具加工,其銑削速度也可達到2200


m/min,鉆、鉸削速度分別可達80m/min和24m/min;加工精鍛結構鋼件采用SiN陶瓷、Ti基陶瓷及TiCN涂層刀

具加工,其車削速度達200m/min。此外,在加工各種精鍛鋼制齒輪時,則采用高鈷(Co)粉末冶金高速鋼。其

表面涂覆TiCN的高速鋼整體滾刀、剃齒刀,內、外表面加工的各類拉刀,其滾削速度為110m/min,剃齒切削速

度為170m/min,拉削速度為10~25m/min。


在刀具使用方面,主要是在數控機床上采用HSK空心短錐柄,可與各種多刃專用銑刀、復合式孔加工刀具組成

高速工具系統,完成多工序、多工位切削加工,其高速動平衡≤2.5G;采用自動徑向進給刀具加工缸體曲軸孔及

軸承擋止推面,一次走刀完成孔與端面的鏜削加工,可保證工件端面對孔的垂直度和兩端面的相互平行度。


發動機生產今后的發展趨勢是,將普遍采用高速(超高速)式切削技術。采用超硬材料制作的各類刀具、復合

(組合)或各類高速切削刀具的結構設計與制造技術將成為高性能刀具品種發展的主導技術。其中無屑加工工

藝的搓、擠、滾壓成形類刀具的應用將會更加廣泛;超硬刀具材料發展會更快,應用領域會更加擴大。


當前國內刀具行業的總體狀態是起點低、起步晚,先進的高性能刀具僅僅是隨著近年來數控高速機床的發展才

開始研發生產,因此高性能刀具產品基礎比較薄弱,發展速度緩慢,競爭力不強。我國刀具制造行業要在國內

刀具市場占有更多的市場份額及參與國際競爭,根本的出路就是提升企業的整體刀具技術水平,在以下三個

方面要有所突破。


1.提高以硬質合金為主的各種刀具材料性能


在現代刀具材料的發展中,硬質合金起著主導作用(約占64%)。此外,其他刀具材料的性能也得到了顯著改

善,擴大了各自的應用領域,形成了各種刀具材料既有獨特優勢、使用范圍又相互替代補充的整體格局。正是

刀具材料的全面、迅速發展,為當今高速、高效金屬切削加工奠定了基礎。


硬質合金的性能不斷改進,應用面不斷擴大,成為切削加工的主要刀具材料,對推動切削效率的提高起到了重

要作用。首先,細顆粒、超細顆粒硬質合金材料的開發顯著提高了硬質合金材料的強度和韌性,用它制造的整

體硬質合金刀具(尤其是量大面廣的中小規格通用刀具如鉆頭、立銑刀、絲錐等)大量替代傳統的高速鋼刀具,

使切削速度和加工效率大幅度提高,將量大面廣的通用刀具帶入了高速切削范疇。其次,硬質合金加壓燒結等

新工藝的開發和應用提高了硬質合金的內在質量,針對不同加工需求開發專用牌號的做法進一步提高了硬質合

金的使用性能。開發了具有良好抗塑性變形能力和韌性表層的梯度硬質合金,作為化學涂層硬質合金刀片牌號

的基體材料,提高了涂層硬質合金刀片的切削性能和應用范圍。


2.涂層作為提高刀具性能的關鍵技術


刀具涂層技術近年來取得了重大進展,表面涂層已成為提高刀具性能的關鍵技術。化學氣相沉積(CVD)仍然

是可轉位刀片的主要涂層工藝,已開發出中溫CVD、厚膜Al2O3、過渡層等新工藝,在改進基體材料性能的基

礎上,使CVD涂層的耐磨性和韌性均得到顯著提高。CVD金剛石涂層也取得了較大進展,提高了涂層表面質量,

并進入實用階段。目前,國外硬質合金可轉位刀片的涂層比例已達75%左右。在此期間,物理氣相沉積(PVD)

涂層技術的進展尤為引人注目,在涂層爐結構、工藝過程、自動控制技術等方面都取得了新進展,不僅開發了

適用于高速切削、干切削、硬切削的高耐熱性涂層(如超級TiAlN)以及綜合性能更好的TiAlCN通用涂層和DLC、

W/C減摩涂層,而且通過對涂層結構的創新,開發了納米、多層結構涂層,大幅度提高了涂層的硬度和韌性。


PVD涂層技術的新進展顯示了涂層技術對提高刀具性能的巨大潛力和獨特優勢,通過對涂層工藝參數的控制和

對靶材、反應氣體的調整,可不斷開發出新的高性能涂層,以滿足加工多樣性的需要。涂層技術將成為提高和

改善刀具性能的捷徑,有著十分廣闊的應用前景。


3.不斷創新刀具結構


隨著制造業的高速發展,汽車工業等重要產業部門對切削加工不斷提出更高的要求,推動著可轉位刀具的持續

發展。為汽車流水線開發的專用成套刀具突破了傳統的按需供刀、“閉門造刀”的做法,成為革新加工工藝、提高

加工效率、降低加工成本的重要工藝因素,發揮著重要的作用。


汽車工業的敏捷制造成為推動可轉位刀具結構創新的強大動力,促進了多功能面銑刀、各種模塊式立銑刀系統、

大進給銑刀等高性能加工刀具的不斷涌現。為滿足高效加工鋁合金構件的需要,開發出了結構新穎的鋁合金高

速加工面銑刀等先進刀具。


隨著高效率數控機床的發展及普及應用,使立銑刀、鉆頭等通用刀具的幾何參數進一步多樣化,改變了標準刀

具參數“千篇一律”的傳統格局,可適應不同的被加工材料和加工條件,切削性能也相應提高。一些創新的刀具

結構還可產生新的切削效果,例如,不等螺旋角立銑刀與標準立銑刀相比,可有效遏制刀具的振動,提高加工

表面質量,增大刀具的切削深度和進給速度;硬質合金絲錐及硬質合金螺紋銑刀的開發將螺紋加工效率提高到

高速切削水平,尤其是硬質合金螺紋銑刀,不僅加工效率高,而且通用性好,可顯著降低刀具費用。

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