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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