汽车关键零部件高性能刀具的开发

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　　汽车关键零部件高性能刀具的开发要围绕汽车关键零部件中有关刀具设计、刀具制备、刀具切削性能评价、切削过程切削力-切削温度耦合作用机理、刀具切削数据库等关键共性技术，开展金属切削加工基础理论研究和试验技术研究。针对汽车关键零部件高性能切削加工要求，开展高性能刀具设计制造过程中的关键技术研究，分别是高速高效切削刀具的设计技术、成形技术、先进涂层技术、应用技术，并以此为理论基础为相关工具骨干企业开发配套的高速高效切削刀具产品系列提供理论指导。

　　汽车关键零部件高性能刀具的开发主要内容　　

　　应用反求工程，参数化解析以及高速旋转刀具系统安全性进行刀具优化几何设计；应用多轴联动数控磨削和电蚀磨削技术完成复杂空间曲线刃的成形；应用先进涂层工艺进行新型多层复合硬涂层技术；应用数据库集成进行刀具应用技术推广。本课题的研究对汽车制造及刀具制造业自身的发展均具有重要意义。

　　研究开发复杂刃形的聚晶金刚石高速高效镗铣刀系列、精密复合整体硬质合金数控刀具系列，形成批量生产能力，降低对进口刀具的依赖程度。

　　开发高速高效齿轮刀具系列产品（高速干切滚刀、高速高效小径加长滚刀、整体硬质合金滚刀、高精度径向剃齿刀等），高速齿轮滚刀切削速度达到200m/min以上，形成系列化产品和小批量生产能力。

　　开发发动机缸体缸盖平面加工及孔加工刀具以及曲轴高速内铣刀、高速外铣刀、车拉刀等精密复合刀具形成批量生产能力。

　　基于高速高效刀具与工件材料切削性能适配性模型，建立通用型切削数据库；数据库系统具有良好的扩展和模型嵌套功能，满足用户对数据库的查询、录入、更新、修改、删除、优化、传输等功能要求，适用于各类切削数据管理，包括数字、曲线、图表、影像、公式等，达到国内领先水平。

　　基于难加工材料高速切削力-热耦合物理模型，研究切削参数优化预测技术，建立面向汽车制造领域的专用切削数据库；数据库系统具有智能推理、判断及决策的专家系统，满足高端产品切削加工要求，达到国内领先水平。

　　基于切削过程动态特征参量和加工表面质量指标检测技术，构建刀具切削性能评价体系，为工具企业、材料企业、刀具应用企业提供技术支持，为刀具标准化研究提供试验平台，达到国内领先水平。

　　汽车制造业具有技术密集程度高、生产批量大、综合性强的特征，在任何一个主要工业化国家的国民经济中，它都占有举足轻重的地位。目前汽车已成为我国许多地方振兴制造业的龙头产品，汽车制造业也早已成为拉动GDP快速增长的重点支柱产业。装备制造业是一切工业的基础，发展汽车制造业也同样离不开先进的装备制造技术。

　　数控机床是发展汽车制造业和新兴高新技术产业的最基本的装备技术，当今世界各国制造业广泛采用数字化制造技术，以提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。自从2002年起，我国一直是世界机床消费第一大国和机床进口第一大国。我国在汽车工业及传统工业的技术改造过程中，大量引进高档数控机床，使数控加工技术向高速、复合、智能、环保的方向发展。

　　在数控加工中，素有数控机床“牙齿”之称的数控刀具同样是最基本的装备技术，并成为数字化制造过程中最活跃的因素，对生产效率和加工质量影响极大，尤其对汽车零部件生产线而言，批量大，效率高，节拍快，因而切削刀具正在向高效、高精度、高可靠性和专用化方向发展。目前大型汽车制造企业、独资及合资汽车制造企业非常重视高速高效切削工具的综合性能比，大量采用高速高效切削工具和先进的切削技术，用性能价格比优越的切削刀具，对提高中国汽车制造业的金属切削水平，提高中国汽车制造业的制造水平有着及其重大的意义。

　　汽车零部件中有大量尺寸不一的阶梯孔、复杂结构内表面和细小深油孔，加工精度要求高。所以对数控复合孔加工刀具和复合涂层刀具的结构、主切削刃形状、刀具材料、动平衡、涂层以及断屑、排屑性能等等都有较高的特定要求。从刀具结构方面来分析，在汽车零部件生产线上，大量使用精密复合孔加工刀具可以简化工序和减少刀具数量，并能保证孔加工精度。如同步进行钻削、铰削或镗孔及倒角的复合阶梯钻铰镗刀，同步加工阶梯孔的精密复合CBN/PCD镗刀，变导程精密复合阶梯铰刀，具有复杂刃形的聚晶金刚石高速高效镗铣刀，用于发动机缸体、缸盖、曲轴及连杆的油道深孔钻削的带内冷却功能的麻花钻及单刃枪钻，等等。发动机缸体缸盖平面加工普遍采用带修光刃的大直径高速盘铣刀进行高速铣削，曲轴加工普遍采用高速内铣刀、高速外铣刀、车拉刀等精密复合刀具。从刀具材料方面来分析，高效复合涂层刀具、精密复合整体硬质合金数控刀具、聚晶金刚石（PCD）刀具和聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具等已占据了主要位置，以适应汽车行业加工高效、精密、环保的要求。

　　目前，我国数控刀具没有形成规模，国产化率较低，主要是一些低档产品。在汽车制造业中，先进的数控加工刀具主要依赖进口，在数控刀具应用技术方面，目前由于缺乏合适的高速切削工艺数据库系统，使得数控刀具的使用不尽合理，多数高速切削机床仍然工作在较低的主轴转速水平上，没有充分发挥高速数控机床固有的高效精密加工的优势，造成大量固定资产的潜在浪费。可见，高性能刀具的开发与国产化及其应用技术已成为我国刀具行业发展的瓶颈问题，直接制约着我国装备制造业的振兴以及汽车制造业的健康快速发展。

　　开展刀具设计、刀具制备、刀具切削性能评价、切削过程切削力-切削温度耦合作用机理、刀具切削数据库等方面工作，将有力地带动我国工具制造企业对高性能刀具的研究和发展，提升我国数控刀具设计制造的整体水平，增强我国精密刀具和涂层刀具参与国际竞争的能力，降低对进口数控刀具的依赖程度。形成研究开发和产业化配套之间的良性循环，打造以技术为先导，以产品为载体的发展新局面。

　　汽车关键零部件高性能刀具的开发的创新点、突破点

　　解决的关键技术

　　针对汽车关键零部件的加工特色及其特殊的切削工艺要求，以开发先进的复合刀具或专用的刀具结构为重点，通过应用反求工程技术进行消化吸收和创新，参数化解析以及高速旋转刀具系统安全性进行刀具优化几何设计；对引进的汽车零部件用复杂刀具和特殊刀具进行结构设计、几何形状优化、热处理工艺创新。

　　研究乘用车及重型卡车用发动机、变速箱、传动系齿轮用高精度滚、剃、插齿轮刀具以及弧齿锥齿轮刀具的设计原理，开发相关加工技术和装备；研发发动机缸体缸盖高精密镗铣削系列刀具和高精度孔加工复合刀具、曲轴凸轮轴高效加工用车拉刀、车铣刀、曲轴高速内/外铣刀、镗铣刀等一批高精度、高效率、高可靠性、专用化的“三高一专”的高速高效复合切削刀具。

　　汽车关键零部件高性能刀具的开发过程中的几项关键技术进行重点研究，分别是刀具设计技术、刀具成形技术、刀具涂层技术和刀具应用技术。

　　刀具设计技术：目前国内刀具设计主要依赖于经验并面向传统

　　切削加工领域，无刀具安全性可言。本项目是基于反求工程、刀具参数化解析以及高速旋转刀具系统安全性进行精密复合整体硬质合金数控刀具设计，满足高速高效切削性能要求；反求工程技术是现代设计制造技术中不可缺少的重要方法，应用激光快速扫描系统，获得关于样品实体特征的离散点数据，再通过空间重构技术求得样品的三维仿真模型，从而达到快速优化设计的目的。精密复合整体硬质合金数控刀具结构复杂，设计精度高，应用反求工程技术可以大大缩短刀具的设计周期，满足设计要求。汽车零部件制造中高速高效切削工艺应用普及，因而在精密复合整体硬质合金数控刀具设计中，必须对高速旋转刀具系统的静力学模型和动力学模型进行分析，对高速高精度刀具系统的动平衡性能以及刀体和夹紧机构的失效机理进行研究，利用先进的反求工程软件、硬件技术平台和动平衡试验系统，开展刀具设计研究工作。

　　刀具成形技术：该技术内容分为两大部分，分别是复杂空间线刃成形的多轴联动数控磨削技术和超硬材料电蚀磨削技术

　　基于主切削刃空间成形原理的多轴联动数控全磨制式刀具成形技术；全磨制式精密复合整体硬质合金数控刀具的主切削刃空间成形是通过先进的数控工具磨床多轴联动来实现，有关砂轮空间截型的运动轨迹精确描述是获得精确主切削刃的关键技术，通过CAD/CAM三维仿真切削软件的运用，进行阶梯面、曲面以及砂轮空间截型等各种复杂型面的三维仿真研究。通过CAM前瞻功能，对加工系统的干涉问题进行研究，获得优化的磨削工艺，确保实际磨削加工过程系统的可靠性和质量的稳定性。在此基础上，通过二次开发，形成自主知识产权的关于精密复合整体硬质合金数控刀具成形制造技术。

　　目前国内对于PCD、PCBN刀具刃磨主要是应用机械方法实现直线修磨

　　研究是基于五轴数控轮电蚀和线电蚀原理的PCD、PCBN刀具精密刃磨成形技术，实现复杂曲线刃的精密高效成形。

　　数控多轴电蚀磨技术是一种先进的复合磨削技术，是解决超硬材料（HV 3500-7000）如聚晶金刚石（PCD）和聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具精密成形磨削的关键技术。它运用电蚀轮（或钼丝）与工件间电火花加工的原理，利用数控五轴联动实现对刀具主切削刃的成形电蚀磨削加工。与传统的金刚石砂轮磨削加工相比，生产效率大幅度提高。通过CAM数控软件的开发，可以加工各类复杂的曲线刃形、阶梯刃形的聚晶金刚石镗铣刀具，形成具有光滑连接、各点后角一致的主切削刃精确形状。尤其是采用线电蚀磨削，使过去无法加工的复杂形状刀具的主切削刃磨削问题以及内刃修磨问题得到圆满解决。

　　刀具涂层技术

　　单层涂层材料结构简单，无法满足刀具对涂层的综合性能要求。研究基于梯度功能的富铝多层复合硬涂层技术，使涂层材料具有优良的综合性能，达到国外先进水平，满足刀具在高速高效切削条件下的使用要求。在高效复合涂层刀具的设计中，涂层材料的成分种类、涂层厚度和涂层结构优化是获得具有梯度功能复合涂层的保证。在涂层制备过程中，刀具基体表面预处理技术和涂层工艺过程控制技术是关键。本项目采用机械处理、湿法清洗、粒子刻蚀等综合处理工艺技术，得到适合涂层的理想表面，最大程度提高涂层的结合力。在富铝涂层的制备过程中，采用多层结构和成分渐变的层构设计工艺，通过控制每层的厚度和成分，达到最佳的力学性能。一方面，通过控制层厚，抑制晶粒的生长，获得纳米涂层。同时，多层结构有利于吸收涂层生长过程中产生的微裂纹现象，从而消除裂纹，获得连续性涂层。另一方面，通过控制成分变化，采取成分渐变的处理工艺，有利于消除涂层过程中的应力，同时，渐变的层构设计有利于提高涂层结合力。在涂层成分控制方面，调整Al：Ti的原子比，增加Al的含量，形成富铝涂层，抑制切削过程中因温度升高形成TiO2，有效提高涂层的高温力学性能。通过提高涂层的表面硬度和抗氧化温度，有效提高刀具的耐磨性，延长刀具的使用寿命，使涂层刀具适合高速切削和干式切削，克服传统涂层因加工过程中温度升高而失去其力学性能的缺点。

　　刀具应用技术

　　所谓适用的切削数据库其内涵是，针对具体工件材料、加工精度、表面质量和加工效率等要求，选用适用的刀具并推荐优化的切削参数，解决好刀具与工件材料的适配性问题。高速高效切削特征和本质与普通切削加工相比有显着差别，因而沿用已有的普通切削数据库显然是不合适的。目前国内合理、适用的切削数据还十分缺乏，这在很大程度上限制了高速高效切削技术的推广与应用，制约了高速高效切削刀具国产化进程。我国汽车制造企业在从工业发达国家大量购进先进的高速数控加工中心时，却由于技术封锁而无法引进高速切削数据库等工艺技术，严重影响先进加工中心的正常应用，造成固有资产的潜在浪费。对于汽车制造部门，如何选择刀具，如何用好刀具，充分发挥加工设备能力，充分体现高性能刀具的良好性价比，实现高效低成本加工，一直是汽车零部件生产线上主旋律。而对于刀具制造企业，新开发的刀具在进入市场之前需要进行切削性能评估，切削性能试验对刀具的进一步改进和优化切削用量的获取最有效。

　　高速切削数据库系统最核心技术是基于切削力模型、切削温度模型、刀具磨损模型和工件加工表面质量模型的智能预测技术。高速切削数据来源有三方面：文献资料、生产实际、切削试验。

　　在目前我国高速切削数据还很缺乏的前提下，尤其是针对难加工材料的高速切削数据更加缺乏的形势，开展基于难加工材料高速切削过程物理模型的切削参数优化预测技术的研究显得更加紧迫和重要。

　　技术创新点、突破点汽车关键零部件一般是以钢材、铸铁和铝合金等材料为主，但其加工大多是在专用数控机床上进行，切削工艺比较特殊，而且需要高速高效的生产节拍。

　　针对汽车关键零部件的加工特色及其特殊的切削工艺要求，以开发先进的复合刀具或专用的刀具结构为重点，通过应用反求工程技术进行消化吸收和创新，参数化解析以及高速旋转刀具系统安全性进行刀具优化几何设计；对引进的汽车零部件用复杂刀具和特殊刀具进行结构设计、几何形状优化、热处理工艺创新，形成自主开发和创新能力。

　　围绕汽车关键零部件高性能刀具的开发项目中有关刀具设计、刀具制备、刀具切削性能评价、切削过程切削力-切削温度耦合作用机理、刀具切削数据库等关键共性技术，开展金属切削加工基础理论研究和试验技术研究。针对汽车关键零部件高性能切削加工要求，开展高性能刀具设计制造过程中的关键技术研究，分别是高速高效切削刀具的设计技术、成形技术、先进涂层技术、应用技术，并以此为理论基础为相关工具骨干企业开发配套的高速高效切削刀具产品系列提供理论指导。

　　基于高速高效刀具与工件材料切削性能适配性模型，建立通用型切削数据库；基于难加工材料高速切削力-热耦合物理模型，研究切削参数优化预测技术，建立面向汽车制造领域的专用切削数据库；数据库系统具有智能推理、判断及决策的专家系统，满足高端产品切削加工要求。

　　基于切削过程动态特征参量和加工表面质量指标检测技术，构建刀具切削性能评价体系，为工具企业、材料企业、刀具应用企业提供技术支持，为刀具标准化研究提供试验平台；研究应用反求工程进行汽车关键零部件高性能刀具的优化设计技术；研究应用多轴联动数控和电蚀磨削技术完成空间曲线刃的成形技术；研究开发富铝多层复合硬涂层刀具技术。

　　进行各类汽车关键零部件高性能刀具的结构设计与优化创新，开发计算机模拟（模拟切削或仿真切削）软件；改进热处理计算机控温系统使控温精度达到±3℃；解决高性能刀具材料的锻造技术、热处理技术和磨削技术，提高难加工材料的加工效率和工序质量稳定性；研究各类切齿刀具及其在不同切削环境下的涂层材料的应用问题，适应高速、高效切削发展要求。

　　主要技术指标（如形成的知识产权、技术标准、新技术、新产品、新装置、论文专着等数量、指标及其水平，与国内外同类技术或产品的竞争分析，满足项目所依托的重大工程建设或重大装备研制的需求情况等）汽车关键零部件一般是以钢材、铸铁和铝合金等材料为主，但其加工大多是在专用数控机床上进行，切削工艺比较特殊，材料而且需要高速高效的生产节拍。

　　研究超重型卡车用大型、高精度滚剃齿轮刀具以及大型弧齿锥齿轮刀具的设计原理，开发相关加工技术和装备；重点研发变速箱复杂精密齿轮加工专用系列齿轮刀具、发动机缸体缸盖高精密镗铣削系列刀具和高精度孔加工复合刀具、曲轴凸轮轴高效加工用车拉刀、车铣刀、曲轴高速内/外铣刀镗铣刀等一批高精度、高效率、高可靠性、专用化的“三高一专”的高速高效复合切削刀具。

　　研究多轴联动数控磨削和电腐蚀加工实现复杂空间曲线刃的成形加工技术。基于高速高效刀具与工件材料切削性能适配性模型，建立通用型切削数据库；基于难加工材料高速切削力-热耦合物理模型，研究切削参数优化预测技术，建立面向汽车制造领域的专用切削数据库；数据库系统具有智能推理、判断及决策的专家系统，满足高端产品切削加工要求；基于切削过程动态特征参量和加工表面质量指标检测技术，构建刀具切削性能评价体系，为工具企业、材料企业、刀具应用企业提供技术支持，为刀具标准化研究提供试验平台。

　　应用反求工程进行汽车关键零部件高性能刀具的开发优化设计；应用多轴联动数控和电蚀磨削技术完成空间曲线刃的成形；开发富铝多层复合硬涂层刀具。

　　中国已成为世界新的制造和加工中心，汽车、航空航天、模具、机械、电子、冶金等行业的蓬勃发展和兴起，给刀具行业的发展提供了巨大的市场空间。然而，在经济全球化的趋势下，市场经济竞争日趋激烈，世界各大着名刀具公司产品纷纷投放中国市场，尤其是汽车制造业中精密复合孔加工刀具和高效复合涂层刀具几乎全部是国外产品。

　　而我国数控刀具没有形成规模，国产化率较低，主要是一些低档产品。在汽车制造业中，先进的数控加工刀具主要依赖进口。

　　汽车关键零部件高性能刀具开发的下一步目标是要进一步打破国外知名品牌刀具的技术垄断，提高汽车制造业中精密复合刀具和高效复合刀具设计制造水平，国产数控刀具要形成规模化生产。

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