本文深入探究了汽车零部件数控加工刀具优化选用方法,对不同种类刀具特点和适用场景进行了分析,并且以实际案例说明了它们在汽车零部件加工过程中的具体运用,其目的是为汽车配件数控加工的改进提供理论和实践上的指导。
引 言
就汽车制造业而言,数控加工技术已经成为保证汽车配件生产高精度和高质量的核心方法。
汽车配件复杂多样的特点决定着数控加工的精细程度,刀具作为与工件直接发生作用的执行零件,它的性能好坏对于加工效率、产品质量及生产成本等都起着决定性的影响。
小到发动机关键零部件、车身结构件、精密齿轮、复杂模具等,每个汽车配件在加工过程中都需要有适当刀具作为支撑。
所以,对汽车配件数控加工刀具优化选择及应用进行深入地研究有着非常现实的意义。
汽车配件数控加工特点及对刀具的要求
加工特点：汽车配件的品种很多,涉及的形状、大小及材质也多种多样。
如发动机缸体、缸盖这类大型复杂铸件的加工面比较多,精度要求也比较高;但汽车齿轮及其他传动部件对齿形精度及表面质量要求严格。
与此同时,汽车生产一般都具有大规模和高效率等特征,需要数控加工在保证品质的情况下实现快速稳定地生产。
另外,伴随着汽车轻量化趋势,铝合金及其他轻质材料被越来越多地应用于汽车配件,对数控加工也提出了全新的考验。例如铝合金材料黏性大,形成积屑瘤,加工中容易造成零件的变形和尺寸的变化等。
对刀具的要求：
高硬度和耐磨性：由于汽车零部件加工材料种类繁多,主要有铸铁、钢材、铝合金等,因此刀具在切削过程中一定要有足够的硬度与耐磨性来处理各种材料。
以铸铁发动机缸体加工为例,刀具要经受很大的切削力及剧烈的摩擦,而只有硬度高的刀具材料才能够确保刀具使用寿命及加工精度。
良好的切削性能：刀具要有较好的切削刃几何形状及切削参数才能达到高效切削。针对各种不同的加工技术,例如铣削、钻孔和镗孔等,选择合适的刀具种类和相应的几何参数是非常必要的。
以铣削平面为例,面铣刀刀片形状、刃口角度及切削刃个数均对切削效率及表面质量产生影响。
高精度和稳定性：汽车配件对精度要求较高,这就决定刀具要精度高、稳定性好。加工时刀具微小的磨损或者振动会使工件产生尺寸偏差,降低表面质量。
尤其在处理发动机的关键组件,例如曲轴和凸轮轴时,刀具的高度精确性和稳定性成为确保发动机性能稳定的决定性因素。
快速换刀和可靠性：为适应汽车生产高效率的需要,刀具应有快速换刀和缩短停机时间等功能。
与此同时,刀具可靠性非常关键,以免加工时刀具断裂等失效而影响生产进度及产品质量。
数控加工刀具类型及特性分析
高速钢刀具：高速钢刀具强度大、韧性好、切削时可承受很大冲击力。这种切削工具的刃部可以磨得相当锐利,特别适用于那些对表面品质有较高要求但材料硬度不高的汽车部件, 例如铝合金部件的精细加工。
但是高速钢刀具耐热性比较差,高速切削过程中,由于温度过高,刀具磨损增加,所以它的切削速度比较低。
硬质合金刀具：硬质合金刀具在汽车配件的数控加工过程中使用最多,具有高硬度、高耐磨性、耐热性好等特点,可实现高切削速度加工。
硬质合金刀具分为普通硬质合金与涂层硬质合金两大类。涂层硬质合金刀具是通过在刀具的表面涂上一层或多层具有特定性能的薄膜,例如TiN、TiCN、AlTiN等,进一步提升刀具硬度、耐磨性及抗高温性能, 以满足更多加工材料及工艺要求。
以铸铁发动机缸体为例,涂层硬质合金刀具可显著地提高加工效率及刀具寿命。
陶瓷刀具：陶瓷刀具硬度极高,耐磨性好,耐热性远超高速钢及硬质合金刀具。陶瓷刀具适用于高硬度材料的高速切削, 例如淬火钢和冷硬铸铁。
在汽车配件加工领域,陶瓷刀具通常被用来加工某些精度及表面质量都有极高要求的部件,例如发动机曲轴精加工等。
但是陶瓷刀具韧性差,切削时易产生脆性断裂现象,所以对于切削参数选取及机床稳定性提出了更高要求。
立方氮化硼(CBN)刀具：CBN刀具拥有继金刚石之后的又一硬度,它有优良的耐磨性与耐热性。
CBN刀具尤其适用于处理具有较高硬度和耐磨性的物料,例如淬硬钢和高合金铸铁。汽车发动机加工中常采用CBN刀具精镗发动机缸体活塞孔, 铣削铸铁缸体缸盖组装平面,可实现工件配合面的高平面度加工,改善发动机气密性以及动力与燃油效率。
聚晶金刚石(PCD)刀具：PCD刀具硬度极高、耐磨性强、导热性良好、摩擦系数小、能有效降低切削力、切削热。
PCD刀具多应用于铝合金、铜合金及其他有色金属材料的加工,其在铣削加工汽车发动机铝合金缸体缸盖时表现突出,可实现大进给量切削以提高加工效率以及刀具寿命。由于金刚石和铁元素会在高温下进行化学反应,PCD刀具不宜用于含铁材料的加工。
汽车配件数控加工刀具的优化选择方法
根据加工材料选择刀具：不同汽车配件加工材料,需配套相应刀具材料。对铝合金这样的软质材料可以优先选用高速钢刀具或者PCD刀具;
对于如铸铁、钢材这类中等硬度的材料,选择硬质合金刀具;但对淬火钢和高硬度合金的加工,需采用陶瓷或CBN刀具。以汽车发动机铝合金缸盖加工为例, 使用PCD铣刀能够得到更高的加工效率以及更好的表面质量;但在铸铁缸体加工中,涂层硬质合金刀具能满足加工要求,性价比高。
根据加工工艺选择刀具：不同的加工工艺,如铣削、钻孔、镗孔、车削等,需要不同类型的刀具。
铣削平面的时候,可以选择面铣刀和端铣刀;加工复杂曲面更适合球头铣刀;在钻孔时,则需根据孔径大小,孔深大小,选用相应钻头。同时加工工艺中各参数如切削速度、进给量及切削深度对刀具选择都有影响。
如高速铣削中,要求选用耐热性好、耐磨性好的刀具才能确保加工稳定、刀具寿命长。
考虑刀具的几何参数：刀具的几何参数如前角、后角、刃倾角和刀尖半径对切削性能有显著影响。
前角对切削力及切削刃锋利程度均有影响,对加工塑性材料可以适当加大前角降低切削力;后角的功用在于减小刀具后刀面对工件加工表面的摩擦磨损,后角太大会使刀具强度下降,而后角太小又会使摩擦磨损加剧。
刀尖半径对加工表面质量及刀具耐用度都有影响,粗加工中可以选用大刀尖半径来增加刀具强度及耐用度;精加工中选用较小的刀尖半径才能得到较好的表面质量。以铣削汽车齿轮为例,刀具几何参数的合理选取能够改善齿形精度及表面质量。
结合机床性能选择刀具：机床的特性如主轴转速、功率和刚性也对刀具选择有影响。高速机床宜采用高速切削刀具来发挥其性能优势;
但对刚性差的机床则需选用切削力低的刀具,以免在加工时产生振动、变形等。同时刀具接口形式要与机床刀柄匹配以保证刀具安装准确稳定。
如利用高速加工中心进行汽车配件加工时,需选用能适应高转速要求的刀具以保证刀具和机床之间连接的可靠性。
综合考虑成本因素：刀具选型时既要考虑刀具初始采购成本又要考虑刀具使用寿命、加工效率及产品质量对总成本的影响。
尽管有些高性能刀具采购成本很高,但是它可以提高加工效率,延长刀具寿命和减少废品率等,进而降低整体生产成本。
以CBN刀具为例,尽管其价格相对较高,但在处理发动机的关键部件时,它的高使用寿命和高精确度可以显著地提升生产的效率和产品的品质,从长期角度看,这有助于减少生产的总成本。
汽车配件数控加工刀具的应用案例分析
发动机缸体加工刀具应用：发动机缸体是汽车发动机中最核心的结构部件之一, 发动机缸体的加工精度和质量对于发动机性能有着决定性的影响。
发动机缸体在加工过程中涉及铣削、钻孔和镗孔等诸多复杂工序,各个工序环节之间互相联系,精度要求很高。对发动机缸体顶面,底面和两侧面进行铣削加工时,所选FMD02系列面铣刀显示出了独特设计优势。
该五边形刀片用于面铣刀,相比较传统刀片形状而言,切削时切削力可以更均匀分布,保证了铣削的稳定高效。开放式槽型结构显著增强排屑能力并有效规避加工区域内切屑堆积现象,进而减少切屑干涉造成加工质量缺陷的风险。
大前角设计强化刀具切削刃锋利度、减小切削阻力、提高切削效率。这样的设计让FMD02系列的面铣刀能够适配各种功率的数控加工机床,不论是高功率的大型机床还是中小功率的机床,都可以实现半精加工和粗加工的高效率,有效地缩短加工周期和提高生产效率。
钻堵水孔过程中ZTD系列浅孔钻由于导向结构准确和切削刃设计效率较高,是这一技术的理想之选。配合特定刀片,加工ZTD系列浅孔钻时可确保钻孔的位置精度在最小偏差之内,达到发动机缸体堵水孔的苛刻要求。
同时其优化后的切削刃几何形状显著提高钻孔效率并显著缩短加工时间, 对后续加工提供时间保证。在精确镗孔活塞孔的过程中, 立方氮化硼(CBN)刀片扮演了至关重要的角色。
CBN材料硬度和耐磨性极高,精镗时能稳定地保持切削刃完整, 保证加工后活塞孔圆度误差在4μm以内,表面粗糙度达Ra0.8高精密水平。这种高加工精度使传统珩磨工序被省去,既提高生产效率又降低生产成本,对于促进发动机缸体整体加工效益至关重要。
汽车齿轮加工刀具应用：汽车齿轮是汽车传动系统中的关键零件,它的加工质量好坏直接影响着汽车动力传输是否平稳可靠,对于齿形精度及表面质量都有极其苛刻的要求。
齿轮铣削加工时专用齿轮铣刀担负着齿形精确加工的重任。专用齿轮铣刀几何参数是根据齿轮特定规格、材料特性和加工工艺要求等,经准确理论计算和大量试验验证而优化设计的。
这批刀具具备对多种齿形,例如渐开线齿形和摆线齿形等, 进行高精度加工的能力。以硬质合金涂层齿轮铣刀为例, 硬质合金材料使刀具具有更高硬度和切削性能,涂层的使用进一步提高了其耐磨性和润滑性。
该涂层能在切削过程中有效地减小刀具磨损和延长刀具寿命,在减小切削摩擦系数和容许较高切削速度的前提下,提高加工效率和降低生产成本。齿轮精加工环节中剃齿刀与磨齿砂轮起到了必不可少的作用。
剃齿刀利用和齿轮啮合运动实现齿面微量切削可有效地校正齿形误差、改善齿面精度和表面质量。对剃齿刀切削刃进行高精度制造和设计,确保加工时精度可控,切削效率高。
磨齿砂轮通过其精密的研磨材料和高速旋转产生的磨削力,对齿轮进行了超精密的磨削加工,从而极大地降低了齿面的粗糙度,显著提高了齿轮传动精度和可靠性,继而增强了汽车传动系统整体性能。
铝合金汽车配件加工刀具应用：伴随着汽车轻量化研究的深入, 铝合金材料以低密度和高强度被广泛地应用于汽车配件制造领域,覆盖了发动机铝合金缸体缸盖,车身铝合金结构件及其他众多关键部件。
尽管铝合金材料的高度黏性为其加工带来了不少困难,但聚晶金刚石(PCD)刀具的使用为这些难题的解决开辟了新的路径。在铝合金缸体缸盖这类复杂的铝合金大零件铣削加工中,PCD刀片表现出了优异的加工性能。
PCD刀片可实现最大进给量可达3mm/r,与传统刀具相比,材料去除率明显提高, 加工周期缩短,生产效率显著改善。同时PCD刀具具有高硬度和耐磨性,使得刀具在切削时间较长时磨损较慢,刀具寿命显著提高,刀具更换频率降低,减少刀具更换造成停机时间和生产成本。
铝合金材料加工过程中容易出现积屑瘤现象,会严重影响加工表面质量和刀具的寿命。PCD刀具具有低摩擦系数的特点,有效地抑制积屑瘤生成。
切削铝合金过程中,PCD工具表面对铝合金材料摩擦力最小,切屑得以顺利流出,从而避免积屑瘤积存于工具表面,从而确保加工表面质量高,达到汽车配件铝合金苛刻的表面粗糙度。
在铝合金汽车配件钻孔和铰孔加工技术方面,特制铝合金加工刀具经过几何参数和切削刃的优化设计以适应铝合金材料加工要求。
刀具前后角设计合理,有效地降低刀具和工件间的摩擦和磨损,又能确保切削刃的锋利度。
切削刃形状及刃口锋利度经特殊加工后,可实现孔口高精度加工,孔口尺寸精度和圆度得到准确控制,达到铝合金汽车配件各种孔口加工精度要求,进一步提高铝合金汽车配件整体的加工精度和加工效率。
结 语
对汽车配件数控加工刀具进行优化选择及应用,是提升汽车配件加工质量及效率,降低生产成本的关键步骤。
通过对汽车配件数控加工特点及刀具要求的充分了解,分析了不同种类刀具的性能,并综合考虑了加工材料、加工工艺、机床性能及成本,合理地选用刀具以及在实践中不断地优化刀具参数及切削工艺可以充分发挥刀具性能优势,以适应汽车制造业高精度、高效率及高质量的生产要求。
随着材料科学与刀具技术的发展,新的刀具材料与刀具结构也会层出不穷,这就给汽车配件数控加工带来了更先进、更有效的解决方法,促进了汽车制造业不断地向前发展。
在今后的研究工作中,仍需进一步强化刀具及加工工艺协同优化工作,并对刀具智能化监控及管理技术进行运用,从而使汽车配件数控加工更加智能、自动化及绿色化。
参考文献：略
作者简介:龙吉业(1973—),男,重庆人,汉族,正高级实习指导教师,高级技师,本科,研究方向:数控加工技术。