在汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的背景下,對汽車配件數(shù)控加工精度、效率以及質(zhì)量等方面的需求與日俱增。在數(shù)控加工中,刀具的選擇和使用對加工效果有著直接的影響。

      本文深入探究了汽車零部件數(shù)控加工刀具優(yōu)化選用方法,對不同種類刀具特點(diǎn)和適用場景進(jìn)行了分析,并且以實(shí)際案例說明了它們在汽車零部件加工過程中的具體運(yùn)用,其目的是為汽車配件數(shù)控加工的改進(jìn)提供理論和實(shí)踐上的指導(dǎo)。


      就汽車制造業(yè)而言,數(shù)控加工技術(shù)已經(jīng)成為保證汽車配件生產(chǎn)高精度和高質(zhì)量的核心方法。

      汽車配件復(fù)雜多樣的特點(diǎn)決定著數(shù)控加工的精細(xì)程度,刀具作為與工件直接發(fā)生作用的執(zhí)行零件,它的性能好壞對于加工效率、產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)成本等都起著決定性的影響。

      小到發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件、車身結(jié)構(gòu)件、精密齒輪、復(fù)雜模具等,每個汽車配件在加工過程中都需要有適當(dāng)?shù)毒咦鳛橹巍?br />
      所以,對汽車配件數(shù)控加工刀具優(yōu)化選擇及應(yīng)用進(jìn)行深入地研究有著非常現(xiàn)實(shí)的意義。


      加工特點(diǎn)：汽車配件的品種很多,涉及的形狀、大小及材質(zhì)也多種多樣。

      如發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋這類大型復(fù)雜鑄件的加工面比較多,精度要求也比較高;但汽車齒輪及其他傳動部件對齒形精度及表面質(zhì)量要求嚴(yán)格。

      與此同時,汽車生產(chǎn)一般都具有大規(guī)模和高效率等特征,需要數(shù)控加工在保證品質(zhì)的情況下實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定地生產(chǎn)。

      另外,伴隨著汽車輕量化趨勢,鋁合金及其他輕質(zhì)材料被越來越多地應(yīng)用于汽車配件,對數(shù)控加工也提出了全新的考驗(yàn)。例如鋁合金材料黏性大,形成積屑瘤,加工中容易造成零件的變形和尺寸的變化等。

      對刀具的要求：

      高硬度和耐磨性：由于汽車零部件加工材料種類繁多,主要有鑄鐵、鋼材、鋁合金等,因此刀具在切削過程中一定要有足夠的硬度與耐磨性來處理各種材料。

      以鑄鐵發(fā)動機(jī)缸體加工為例,刀具要經(jīng)受很大的切削力及劇烈的摩擦,而只有硬度高的刀具材料才能夠確保刀具使用壽命及加工精度。

      良好的切削性能：刀具要有較好的切削刃幾何形狀及切削參數(shù)才能達(dá)到高效切削。針對各種不同的加工技術(shù),例如銑削、鉆孔和鏜孔等,選擇合適的刀具種類和相應(yīng)的幾何參數(shù)是非常必要的。

      以銑削平面為例,面銑刀刀片形狀、刃口角度及切削刃個數(shù)均對切削效率及表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。

      高精度和穩(wěn)定性：汽車配件對精度要求較高,這就決定刀具要精度高、穩(wěn)定性好。加工時刀具微小的磨損或者振動會使工件產(chǎn)生尺寸偏差,降低表面質(zhì)量。

      尤其在處理發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵組件,例如曲軸和凸輪軸時,刀具的高度精確性和穩(wěn)定性成為確保發(fā)動機(jī)性能穩(wěn)定的決定性因素。

      快速換刀和可靠性：為適應(yīng)汽車生產(chǎn)高效率的需要,刀具應(yīng)有快速換刀和縮短停機(jī)時間等功能。

      與此同時,刀具可靠性非常關(guān)鍵,以免加工時刀具斷裂等失效而影響生產(chǎn)進(jìn)度及產(chǎn)品質(zhì)量。


      高速鋼刀具：高速鋼刀具強(qiáng)度大、韌性好、切削時可承受很大沖擊力。這種切削工具的刃部可以磨得相當(dāng)銳利,特別適用于那些對表面品質(zhì)有較高要求但材料硬度不高的汽車部件, 例如鋁合金部件的精細(xì)加工。

      但是高速鋼刀具耐熱性比較差,高速切削過程中,由于溫度過高,刀具磨損增加,所以它的切削速度比較低。

      硬質(zhì)合金刀具：硬質(zhì)合金刀具在汽車配件的數(shù)控加工過程中使用最多,具有高硬度、高耐磨性、耐熱性好等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)高切削速度加工。

      硬質(zhì)合金刀具分為普通硬質(zhì)合金與涂層硬質(zhì)合金兩大類。涂層硬質(zhì)合金刀具是通過在刀具的表面涂上一層或多層具有特定性能的薄膜,例如TiN、TiCN、AlTiN等,進(jìn)一步提升刀具硬度、耐磨性及抗高溫性能, 以滿足更多加工材料及工藝要求。

      以鑄鐵發(fā)動機(jī)缸體為例,涂層硬質(zhì)合金刀具可顯著地提高加工效率及刀具壽命。

      陶瓷刀具：陶瓷刀具硬度極高,耐磨性好,耐熱性遠(yuǎn)超高速鋼及硬質(zhì)合金刀具。陶瓷刀具適用于高硬度材料的高速切削, 例如淬火鋼和冷硬鑄鐵。

      在汽車配件加工領(lǐng)域,陶瓷刀具通常被用來加工某些精度及表面質(zhì)量都有極高要求的部件,例如發(fā)動機(jī)曲軸精加工等。

     但是陶瓷刀具韌性差,切削時易產(chǎn)生脆性斷裂現(xiàn)象,所以對于切削參數(shù)選取及機(jī)床穩(wěn)定性提出了更高要求。

      立方氮化硼(CBN)刀具：CBN刀具擁有繼金剛石之后的又一硬度,它有優(yōu)良的耐磨性與耐熱性。

      CBN刀具尤其適用于處理具有較高硬度和耐磨性的物料,例如淬硬鋼和高合金鑄鐵。汽車發(fā)動機(jī)加工中常采用CBN刀具精鏜發(fā)動機(jī)缸體活塞孔, 銑削鑄鐵缸體缸蓋組裝平面,可實(shí)現(xiàn)工件配合面的高平面度加工,改善發(fā)動機(jī)氣密性以及動力與燃油效率。

      聚晶金剛石(PCD)刀具：PCD刀具硬度極高、耐磨性強(qiáng)、導(dǎo)熱性良好、摩擦系數(shù)小、能有效降低切削力、切削熱。

      PCD刀具多應(yīng)用于鋁合金、銅合金及其他有色金屬材料的加工,其在銑削加工汽車發(fā)動機(jī)鋁合金缸體缸蓋時表現(xiàn)突出,可實(shí)現(xiàn)大進(jìn)給量切削以提高加工效率以及刀具壽命。由于金剛石和鐵元素會在高溫下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),PCD刀具不宜用于含鐵材料的加工。


      根據(jù)加工材料選擇刀具：不同汽車配件加工材料,需配套相應(yīng)刀具材料。對鋁合金這樣的軟質(zhì)材料可以優(yōu)先選用高速鋼刀具或者PCD刀具;

      對于如鑄鐵、鋼材這類中等硬度的材料,選擇硬質(zhì)合金刀具;但對淬火鋼和高硬度合金的加工,需采用陶瓷或CBN刀具。以汽車發(fā)動機(jī)鋁合金缸蓋加工為例, 使用PCD銑刀能夠得到更高的加工效率以及更好的表面質(zhì)量;但在鑄鐵缸體加工中,涂層硬質(zhì)合金刀具能滿足加工要求,性價比高。

      根據(jù)加工工藝選擇刀具：不同的加工工藝,如銑削、鉆孔、鏜孔、車削等,需要不同類型的刀具。

      銑削平面的時候,可以選擇面銑刀和端銑刀;加工復(fù)雜曲面更適合球頭銑刀;在鉆孔時,則需根據(jù)孔徑大小,孔深大小,選用相應(yīng)鉆頭。同時加工工藝中各參數(shù)如切削速度、進(jìn)給量及切削深度對刀具選擇都有影響。

      如高速銑削中,要求選用耐熱性好、耐磨性好的刀具才能確保加工穩(wěn)定、刀具壽命長。

      考慮刀具的幾何參數(shù)：刀具的幾何參數(shù)如前角、后角、刃傾角和刀尖半徑對切削性能有顯著影響。

      前角對切削力及切削刃鋒利程度均有影響,對加工塑性材料可以適當(dāng)加大前角降低切削力;后角的功用在于減小刀具后刀面對工件加工表面的摩擦磨損,后角太大會使刀具強(qiáng)度下降,而后角太小又會使摩擦磨損加劇。

      刀尖半徑對加工表面質(zhì)量及刀具耐用度都有影響,粗加工中可以選用大刀尖半徑來增加刀具強(qiáng)度及耐用度;精加工中選用較小的刀尖半徑才能得到較好的表面質(zhì)量。以銑削汽車齒輪為例,刀具幾何參數(shù)的合理選取能夠改善齒形精度及表面質(zhì)量。

      結(jié)合機(jī)床性能選擇刀具：機(jī)床的特性如主軸轉(zhuǎn)速、功率和剛性也對刀具選擇有影響。高速機(jī)床宜采用高速切削刀具來發(fā)揮其性能優(yōu)勢;

      但對剛性差的機(jī)床則需選用切削力低的刀具,以免在加工時產(chǎn)生振動、變形等。同時刀具接口形式要與機(jī)床刀柄匹配以保證刀具安裝準(zhǔn)確穩(wěn)定。

      如利用高速加工中心進(jìn)行汽車配件加工時,需選用能適應(yīng)高轉(zhuǎn)速要求的刀具以保證刀具和機(jī)床之間連接的可靠性。

      綜合考慮成本因素：刀具選型時既要考慮刀具初始采購成本又要考慮刀具使用壽命、加工效率及產(chǎn)品質(zhì)量對總成本的影響。

      盡管有些高性能刀具采購成本很高,但是它可以提高加工效率,延長刀具壽命和減少廢品率等,進(jìn)而降低整體生產(chǎn)成本。

      以CBN刀具為例,盡管其價格相對較高,但在處理發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件時,它的高使用壽命和高精確度可以顯著地提升生產(chǎn)的效率和產(chǎn)品的品質(zhì),從長期角度看,這有助于減少生產(chǎn)的總成本。


      發(fā)動機(jī)缸體加工刀具應(yīng)用：發(fā)動機(jī)缸體是汽車發(fā)動機(jī)中最核心的結(jié)構(gòu)部件之一, 發(fā)動機(jī)缸體的加工精度和質(zhì)量對于發(fā)動機(jī)性能有著決定性的影響。

      發(fā)動機(jī)缸體在加工過程中涉及銑削、鉆孔和鏜孔等諸多復(fù)雜工序,各個工序環(huán)節(jié)之間互相聯(lián)系,精度要求很高。對發(fā)動機(jī)缸體頂面,底面和兩側(cè)面進(jìn)行銑削加工時,所選FMD02系列面銑刀顯示出了獨(dú)特設(shè)計(jì)優(yōu)勢。

      該五邊形刀片用于面銑刀,相比較傳統(tǒng)刀片形狀而言,切削時切削力可以更均勻分布,保證了銑削的穩(wěn)定高效。開放式槽型結(jié)構(gòu)顯著增強(qiáng)排屑能力并有效規(guī)避加工區(qū)域內(nèi)切屑堆積現(xiàn)象,進(jìn)而減少切屑干涉造成加工質(zhì)量缺陷的風(fēng)險。

      大前角設(shè)計(jì)強(qiáng)化刀具切削刃鋒利度、減小切削阻力、提高切削效率。這樣的設(shè)計(jì)讓FMD02系列的面銑刀能夠適配各種功率的數(shù)控加工機(jī)床,不論是高功率的大型機(jī)床還是中小功率的機(jī)床,都可以實(shí)現(xiàn)半精加工和粗加工的高效率,有效地縮短加工周期和提高生產(chǎn)效率。

      鉆堵水孔過程中ZTD系列淺孔鉆由于導(dǎo)向結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確和切削刃設(shè)計(jì)效率較高,是這一技術(shù)的理想之選。配合特定刀片,加工ZTD系列淺孔鉆時可確保鉆孔的位置精度在最小偏差之內(nèi),達(dá)到發(fā)動機(jī)缸體堵水孔的苛刻要求。

      同時其優(yōu)化后的切削刃幾何形狀顯著提高鉆孔效率并顯著縮短加工時間, 對后續(xù)加工提供時間保證。在精確鏜孔活塞孔的過程中, 立方氮化硼(CBN)刀片扮演了至關(guān)重要的角色。

      CBN材料硬度和耐磨性極高,精鏜時能穩(wěn)定地保持切削刃完整, 保證加工后活塞孔圓度誤差在4μm以內(nèi),表面粗糙度達(dá)Ra0.8高精密水平。這種高加工精度使傳統(tǒng)珩磨工序被省去,既提高生產(chǎn)效率又降低生產(chǎn)成本,對于促進(jìn)發(fā)動機(jī)缸體整體加工效益至關(guān)重要。

       汽車齒輪加工刀具應(yīng)用：汽車齒輪是汽車傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件,它的加工質(zhì)量好壞直接影響著汽車動力傳輸是否平穩(wěn)可靠,對于齒形精度及表面質(zhì)量都有極其苛刻的要求。

      齒輪銑削加工時專用齒輪銑刀擔(dān)負(fù)著齒形精確加工的重任。專用齒輪銑刀幾何參數(shù)是根據(jù)齒輪特定規(guī)格、材料特性和加工工藝要求等,經(jīng)準(zhǔn)確理論計(jì)算和大量試驗(yàn)驗(yàn)證而優(yōu)化設(shè)計(jì)的。

      這批刀具具備對多種齒形,例如漸開線齒形和擺線齒形等, 進(jìn)行高精度加工的能力。以硬質(zhì)合金涂層齒輪銑刀為例, 硬質(zhì)合金材料使刀具具有更高硬度和切削性能,涂層的使用進(jìn)一步提高了其耐磨性和潤滑性。

       該涂層能在切削過程中有效地減小刀具磨損和延長刀具壽命,在減小切削摩擦系數(shù)和容許較高切削速度的前提下,提高加工效率和降低生產(chǎn)成本。齒輪精加工環(huán)節(jié)中剃齒刀與磨齒砂輪起到了必不可少的作用。

      剃齒刀利用和齒輪嚙合運(yùn)動實(shí)現(xiàn)齒面微量切削可有效地校正齒形誤差、改善齒面精度和表面質(zhì)量。對剃齒刀切削刃進(jìn)行高精度制造和設(shè)計(jì),確保加工時精度可控,切削效率高。

      磨齒砂輪通過其精密的研磨材料和高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磨削力,對齒輪進(jìn)行了超精密的磨削加工,從而極大地降低了齒面的粗糙度,顯著提高了齒輪傳動精度和可靠性,繼而增強(qiáng)了汽車傳動系統(tǒng)整體性能。

      鋁合金汽車配件加工刀具應(yīng)用：伴隨著汽車輕量化研究的深入, 鋁合金材料以低密度和高強(qiáng)度被廣泛地應(yīng)用于汽車配件制造領(lǐng)域,覆蓋了發(fā)動機(jī)鋁合金缸體缸蓋,車身鋁合金結(jié)構(gòu)件及其他眾多關(guān)鍵部件。

      盡管鋁合金材料的高度黏性為其加工帶來了不少困難,但聚晶金剛石(PCD)刀具的使用為這些難題的解決開辟了新的路徑。在鋁合金缸體缸蓋這類復(fù)雜的鋁合金大零件銑削加工中,PCD刀片表現(xiàn)出了優(yōu)異的加工性能。

      PCD刀片可實(shí)現(xiàn)最大進(jìn)給量可達(dá)3mm/r,與傳統(tǒng)刀具相比,材料去除率明顯提高, 加工周期縮短,生產(chǎn)效率顯著改善。同時PCD刀具具有高硬度和耐磨性,使得刀具在切削時間較長時磨損較慢,刀具壽命顯著提高,刀具更換頻率降低,減少刀具更換造成停機(jī)時間和生產(chǎn)成本。

      鋁合金材料加工過程中容易出現(xiàn)積屑瘤現(xiàn)象,會嚴(yán)重影響加工表面質(zhì)量和刀具的壽命。PCD刀具具有低摩擦系數(shù)的特點(diǎn),有效地抑制積屑瘤生成。

      切削鋁合金過程中,PCD工具表面對鋁合金材料摩擦力最小,切屑得以順利流出,從而避免積屑瘤積存于工具表面,從而確保加工表面質(zhì)量高,達(dá)到汽車配件鋁合金苛刻的表面粗糙度。

      在鋁合金汽車配件鉆孔和鉸孔加工技術(shù)方面,特制鋁合金加工刀具經(jīng)過幾何參數(shù)和切削刃的優(yōu)化設(shè)計(jì)以適應(yīng)鋁合金材料加工要求。

      刀具前后角設(shè)計(jì)合理,有效地降低刀具和工件間的摩擦和磨損,又能確保切削刃的鋒利度。

     切削刃形狀及刃口鋒利度經(jīng)特殊加工后,可實(shí)現(xiàn)孔口高精度加工,孔口尺寸精度和圓度得到準(zhǔn)確控制,達(dá)到鋁合金汽車配件各種孔口加工精度要求,進(jìn)一步提高鋁合金汽車配件整體的加工精度和加工效率。


      對汽車配件數(shù)控加工刀具進(jìn)行優(yōu)化選擇及應(yīng)用,是提升汽車配件加工質(zhì)量及效率,降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵步驟。

      通過對汽車配件數(shù)控加工特點(diǎn)及刀具要求的充分了解,分析了不同種類刀具的性能,并綜合考慮了加工材料、加工工藝、機(jī)床性能及成本,合理地選用刀具以及在實(shí)踐中不斷地優(yōu)化刀具參數(shù)及切削工藝可以充分發(fā)揮刀具性能優(yōu)勢,以適應(yīng)汽車制造業(yè)高精度、高效率及高質(zhì)量的生產(chǎn)要求。

      隨著材料科學(xué)與刀具技術(shù)的發(fā)展,新的刀具材料與刀具結(jié)構(gòu)也會層出不窮,這就給汽車配件數(shù)控加工帶來了更先進(jìn)、更有效的解決方法,促進(jìn)了汽車制造業(yè)不斷地向前發(fā)展。

      在今后的研究工作中,仍需進(jìn)一步強(qiáng)化刀具及加工工藝協(xié)同優(yōu)化工作,并對刀具智能化監(jiān)控及管理技術(shù)進(jìn)行運(yùn)用,從而使汽車配件數(shù)控加工更加智能、自動化及綠色化。

      參考文獻(xiàn)：略

      作者簡介:龍吉業(yè)(1973—),男,重慶人,漢族,正高級實(shí)習(xí)指導(dǎo)教師,高級技師,本科,研究方向:數(shù)控加工技術(shù)。