汽车工业铣刀技术的发展

    为适应汽车工业的需要，工具制造厂商也推出了铣削铸铁及其它材料的铣刀和刀片系列。这些刀具、刀片使得加工效率和零件表面质量都得到大幅度的提高。

    一、Valenite公司为适应汽车工业需求开发的QC铣削刀片

    在早期的汽车生产线上，每个工位要在固定的节拍时间内完成一个工序的加工。然后，工件被传送到下一工位，这种传送只能等最慢的工序加工完成才能进行，这时每道工序的切削速度、进给量、走刀次数都是固定不变的，某一道工序需要换刀就要整条生产线都要停下来，因此刀具寿命对生产效率的影响非常突出。Valenite公司产品发展部经理Reiterman提出：刀具寿命为半个班、一个半班都是不好的，刀具寿命能稳定地达到一个班，使换刀在下班之后进行是最起码的要求。下一个目标才是增加刀具寿命到2、3或4个班。

    选用高硬度、高强度的刀具材料，再附以适当的涂层，是延长刀具寿命的首要措施。但是，Reiterman认为，改进刀具几何形状，也是增加刀具寿命的重要手段，特别是铣削铸铁时。他指出，在汽车工业中，加工一系列合金铸铁，包括灰铸铁、球墨铸铁和高密度球墨铸铁。这些铸铁都有不同的加工特性，其中灰铸铁含有网状硬组织，表现为脆性，加工时，刀具易产生崩刃；球墨铸铁和高密度球墨铸铁有一定塑性，可产生铁屑，但刀具切出时，工件也会产生“翻边”，导致刀尖损坏。Reiterman还指出，同样的工件铸造过程不同，其加工性能也不同。例如，薄断面、快速冷却会使铸件产生特硬、难加工的表面。另外，加工性能也可能因铸造的批次不同和配料的批次不同而有所不同。

    Valenite公司新开发的用于加工铸铁的QC铣刀刀片，它有四个切削刃，刀刃带有正前角，主切削刃与副切削刃间有几种刀尖圆弧可供选择，在副切削刃处专门设计了修光刃。

    当精铣或浅切深铣削时，刀尖圆弧的大小至关重要。在这种情况下，刀尖圆弧半径应比切削深度大些，这样就产生了一个刀尖圆弧与工件间的主偏角，它对加工铸铁时避免刀尖崩刃起到很好的作用。锋利的刀刃对于加工铸铁时的振动很敏感，极易产生崩刃。因此，刀尖圆弧和主偏角处的刃口要珩磨修圆。另一方面，修光刃的作用是为了去除进给刀痕的“波峰”，珩磨降低了修光刃的切削能力--使它变得不锋利了，会使加工表面有挤光的迹象。QC刀片的前角是正值，可以有效地降低切削力，利于排屑。可以根据工件材料的特性，方便地订制最适宜的铣刀刀体，达到减小切削力、减少热量堆积、延长刀具寿命的目的。在不同铸铁铣削过程中，使用QC刀片，可以增加刀具寿命。

    二、Iscar公司开发的用于汽车工业的Auto2000铣刀

    汽车生产从使用古老的刚性生产线到目前先进的柔性制造系统，完成了数字化转变。而对于汽车本身，则出现了能源多元化的发展趋势。这一变化直接影响到汽车结构和汽车零件材料的选用。因此，汽车制造业正在寻求既能方便使用又能适应多种金属材料的刀具。为此，Iscar公司发展了一个新的汽车工业专用铣刀系列，该铣刀系列称之为Auto2000铣削系统。其特点是，定位刀片轴向高度的刀片座环是精磨过的，这样可大量节省刀具调整的重调时间。刀具可用于精铣、半精铣灰铸铁、可锻铸铁和汽车业常用的球墨铸铁。采用最大的切削深度为5mm。刀片为八角形，每个刀片有16条切削刃，轴向有正前角的卷屑槽，减小了切削力。另外，刀尖后部带有修光刃，可提高工件的表面质量。

    三、铣削用陶瓷刀片的使用效果

    在模块式生产线或柔性加工单元（FMC）上，借助数控技术调整切削参数是很容易的，这样更有利于充分发挥先进刀具的全部潜能。Kennametal公司铣刀部经理Marshall说，对于铣削灰铸铁，要获得最高生产率，氮化硅是最佳选择。即使在760～1370m/min的切削速度下使用，其进给速度和刀具寿命仍可与硬质合金相比。

    全国精密产品公司（NPP）试用Kennametal公司的氮化硅Kyon3500制成的Fx-perfect刀片后，认为与硬质合金刀具比较，进给量提高了3～4倍后，刀具寿命仍有所提高。比如，用φ25.4mm整体硬质合金立铣刀，一次重磨可加工300件，用φ76mm装有Kyon3500Fix-perfect刀片的面铣刀时，加工超过2000件/刃或16000件/片。

    据NPP公司介绍，球墨铸铁比灰铸铁难加工，需要对切削速度进行调整。在每齿金属切除率与加工灰铸铁相同的情况下，加工球墨铸铁，其切削速度为v=730m/min，加工灰铸铁，切削速度为v=914～1219m/min。氮化硅Kyon3500刀具材料性能优越，虽然其价格比硬质合金贵，但生产率提高带来的效益远胜于刀具费用的增长。关键是机床功率和刚性要足够。虽然陶瓷用于铣削可达到很高的切削速度，刀具寿命也很长，但是如果切深达到3.8mm，机床功率就是达到20马力也带不动。因此只能降低一点切削速度，这样做并没有充分发挥出陶瓷的优越性能。

    四、铣刀几何角度的改进

    根据NPP公司的经验，在机床功率不足时，正确地选择刀具的几何角度，也能扩大低功率机床的生产能力。比如，按传统，加工铸铁的铣刀带有负的轴向和径向前角（双负角铣刀），这种负的几何角度使刀刃比较牢固。相反，正负角铣刀（轴向正前角、径向负前角）切削平稳，也降低了机床功率要求，更便于采用先进的刀具材料。

    根据刀片的牌号和用途，铣刀刀片的刃口可以是锋利的，也可以磨出0.013mm～0.076mm的倒棱。对于Kyon3500陶瓷刀片是磨出一个20°的倒棱，倒棱宽度为0.2mm，以防刀刃在高速下被切屑打坏。

    Kennametal公司的Fix-Perfect系统是一个不同正负角组合的产品系列。其特点在于：由于刀片采用立装型式，刀刃的下部有较强的实体支承，增加了刀刃强度。负的轴向前角使切削力向着主轴，铣刀工作稳定。而且，负的轴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。

    Fix-perfect铣刀带有刮光刀片，可用于粗铣和精铣。表面粗糙度可达32（轮廓均方根偏差值），这样可减少一次精铣加工，也减少了循环时间。

    五、刀具要适应汽车各类零件材料的变化

    由于铸铁的坚硬性和很高的抗压强度，并且能铸成很复杂的形状，所以一直是用于制造汽车发动机箱体和其它零件。后来在CAFE（Corporate-average-fuel-efficiency）等的推动下，开始在轻型运载工具上减少重合金的用量。1980年，按照美国铸造协会规定，家用汽车控制在600磅铸铁，到1999年，其平均值降了近一半，达到325磅，预计2006年降到230磅。另一方面，制铝业分析预测，汽车铝件的应用在5年内将上升50%，从2000年的250磅/辆，到2005年将达到380/辆。

    在大量生产中加工铝件，需要用聚晶金刚石（PCD）刀具。加工时产生的切屑是PCD刀具损坏的主要原因。

    要保持PCD刀具切削刃的完整，最好是使切削负荷均匀分布到每个铣刀刀齿上。因此，精密调整（特别是轴向）是延长PCD铣刀寿命的重要手段。如Ingersoll铣刀的Flex-Lok刀垫能允许对立装刀片进行精密调整，然后用桶形螺钉把刀片固定。这样，铣刀上每个刀片的负荷是均衡的，从而可获得最长的刀具寿命。

    加工铝合金对刀具几何角度有特殊的要求，航空工业用铝合金，因其粘性大、硅含量低，所以应采用大的正前角刀具；对于汽车工业用含硅量高的铸造铝合金，就不必用太锋利的正前角，而应以稳定、耐用为主。因此，大多数的汽车制造厂商加工铝合金，都选用较小的轴向和径向正前角。

    另外，现在有些汽车零件采用淬硬加工，以提高生产率和降低成本。如加工淬硬的黑色金属，可选用装有CBN或陶瓷刀片的铣刀。

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