在汽車產業快速發展的背景下,對汽車配件數控加工精度、效率以及質量等方面的需求與日俱增。在數控加工中,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控加工刀具優化選用方法,對不同種類刀具特點和適用場景進行了分析,并且以實際案例說明了它們在汽車零部件加工過程中的具體運用,其目的是為汽車配件數控加工的改進提供理論和實踐上的指導。


      就汽車制造業而言,數控加工技術已經成為保證汽車配件生產高精度和高質量的核心方法。

      汽車配件復雜多樣的特點決定著數控加工的精細程度,刀具作為與工件直接發生作用的執行零件,它的性能好壞對于加工效率、產品質量及生產成本等都起著決定性的影響。

      小到發動機關鍵零部件、車身結構件、精密齒輪、復雜模具等,每個汽車配件在加工過程中都需要有適當刀具作為支撐。

      所以,對汽車配件數控加工刀具優化選擇及應用進行深入地研究有著非常現實的意義。


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

      如發動機缸體、缸蓋這類大型復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量要求嚴格。

      與此同時,汽車生產一般都具有大規模和高效率等特征,需要數控加工在保證品質的情況下實現快速穩定地生產。

      另外,伴隨著汽車輕量化趨勢,鋁合金及其他輕質材料被越來越多地應用于汽車配件,對數控加工也提出了全新的考驗。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。

      以鑄鐵發動機缸體加工為例,刀具要經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才能達到高效切削。針對各種不同的加工技術,例如銑削、鉆孔和鏜孔等,選擇合適的刀具種類和相應的幾何參數是非常必要的。

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

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

      尤其在處理發動機的關鍵組件,例如曲軸和凸輪軸時,刀具的高度精確性和穩定性成為確保發動機性能穩定的決定性因素。

      快速換刀和可靠性：為適應汽車生產高效率的需要,刀具應有快速換刀和縮短停機時間等功能。

      與此同時,刀具可靠性非常關鍵,以免加工時刀具斷裂等失效而影響生產進度及產品質量。


      高速鋼刀具：高速鋼刀具強度大、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銳利,特別適用于那些對表面品質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。

      硬質合金刀具：硬質合金刀具在汽車配件的數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,可實現高切削速度加工。

      硬質合金刀具分為普通硬質合金與涂層硬質合金兩大類。涂層硬質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。

      以鑄鐵發動機缸體為例,涂層硬質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,耐熱性遠超高速鋼及硬質合金刀具。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。

      在汽車配件加工領域,陶瓷刀具通常被用來加工某些精度及表面質量都有極高要求的部件,例如發動機曲軸精加工等。

     但是陶瓷刀具韌性差,切削時易產生脆性斷裂現象,所以對于切削參數選取及機床穩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。汽車發動機加工中常采用CBN刀具精鏜發動機缸體活塞孔, 銑削鑄鐵缸體缸蓋組裝平面,可實現工件配合面的高平面度加工,改善發動機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、導熱性良好、摩擦系數小、能有效降低切削力、切削熱。

      PCD刀具多應用于鋁合金、銅合金及其他有色金屬材料的加工,其在銑削加工汽車發動機鋁合金缸體缸蓋時表現突出,可實現大進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行化學反應,PCD刀具不宜用于含鐵材料的加工。


      根據加工材料選擇刀具：不同汽車配件加工材料,需配套相應刀具材料。對鋁合金這樣的軟質材料可以優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。以汽車發動機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量;但在鑄鐵缸體加工中,涂層硬質合金刀具能滿足加工要求,性價比高。

      根據加工工藝選擇刀具：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;加工復雜曲面更適合球頭銑刀;在鉆孔時,則需根據孔徑大小,孔深大小,選用相應鉆頭。同時加工工藝中各參數如切削速度、進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定、刀具壽命長。

      考慮刀具的幾何參數：刀具的幾何參數如前角、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量。以銑削汽車齒輪為例,刀具幾何參數的合理選取能夠改善齒形精度及表面質量。

      結合機床性能選擇刀具：機床的特性如主軸轉速、功率和剛性也對刀具選擇有影響。高速機床宜采用高速切削刀具來發揮其性能優勢;

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

      如利用高速加工中心進行汽車配件加工時,需選用能適應高轉速要求的刀具以保證刀具和機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、加工效率及產品質量對總成本的影響。

      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,進而降低整體生產成本。

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


      發動機缸體加工刀具應用：發動機缸體是汽車發動機中最核心的結構部件之一, 發動機缸體的加工精度和質量對于發動機性能有著決定性的影響。

      發動機缸體在加工過程中涉及銑削、鉆孔和鏜孔等諸多復雜工序,各個工序環節之間互相聯系,精度要求很高。對發動機缸體頂面,底面和兩側面進行銑削加工時,所選FMD02系列面銑刀顯示出了獨特設計優勢。

      該五邊形刀片用于面銑刀,相比較傳統刀片形狀而言,切削時切削力可以更均勻分布,保證了銑削的穩定高效。開放式槽型結構顯著增強排屑能力并有效規避加工區域內切屑堆積現象,進而減少切屑干涉造成加工質量缺陷的風險。

      大前角設計強化刀具切削刃鋒利度、減小切削阻力、提高切削效率。這樣的設計讓FMD02系列的面銑刀能夠適配各種功率的數控加工機床,不論是高功率的大型機床還是中小功率的機床,都可以實現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效率。

      鉆堵水孔過程中ZTD系列淺孔鉆由于導向結構準確和切削刃設計效率較高,是這一技術的理想之選。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,達到發動機缸體堵水孔的苛刻要求。

      同時其優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)刀片扮演了至關重要的角色。

      CBN材料硬度和耐磨性極高,精鏜時能穩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,表面粗糙度達Ra0.8高精密水平。這種高加工精度使傳統珩磨工序被省去,既提高生產效率又降低生產成本,對于促進發動機缸體整體加工效益至關重要。

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

      齒輪銑削加工時專用齒輪銑刀擔負著齒形精確加工的重任。專用齒輪銑刀幾何參數是根據齒輪特定規格、材料特性和加工工藝要求等,經準確理論計算和大量試驗驗證而優化設計的。

      這批刀具具備對多種齒形,例如漸開線齒形和擺線齒形等, 進行高精度加工的能力。以硬質合金涂層齒輪銑刀為例, 硬質合金材料使刀具具有更高硬度和切削性能,涂層的使用進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和容許較高切削速度的前提下,提高加工效率和降低生產成本。齒輪精加工環節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動實現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量。對剃齒刀切削刃進行高精度制造和設計,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產生的磨削力,對齒輪進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,繼而增強了汽車傳動系統整體性能。

      鋁合金汽車配件加工刀具應用：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度被廣泛地應用于汽車配件制造領域,覆蓋了發動機鋁合金缸體缸蓋,車身鋁合金結構件及其他眾多關鍵部件。

      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雜的鋁合金大零件銑削加工中,PCD刀片表現出了優異的加工性能。

      PCD刀片可實現最大進給量可達3mm/r,與傳統刀具相比,材料去除率明顯提高, 加工周期縮短,生產效率顯著改善。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時間和生產成本。

      鋁合金材料加工過程中容易出現積屑瘤現象,會嚴重影響加工表面質量和刀具的壽命。PCD刀具具有低摩擦系數的特點,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量高,達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方面,特制鋁合金加工刀具經過幾何參數和切削刃的優化設計以適應鋁合金材料加工要求。

      刀具前后角設計合理,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特殊加工后,可實現孔口高精度加工,孔口尺寸精度和圓度得到準確控制,達到鋁合金汽車配件各種孔口加工精度要求,進一步提高鋁合金汽車配件整體的加工精度和加工效率。


      對汽車配件數控加工刀具進行優化選擇及應用,是提升汽車配件加工質量及效率,降低生產成本的關鍵步驟。

      通過對汽車配件數控加工特點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、機床性能及成本,合理地選用刀具以及在實踐中不斷地優化刀具參數及切削工藝可以充分發揮刀具性能優勢,以適應汽車制造業高精度、高效率及高質量的生產要求。

      隨著材料科學與刀具技術的發展,新的刀具材料與刀具結構也會層出不窮,這就給汽車配件數控加工帶來了更先進、更有效的解決方法,促進了汽車制造業不斷地向前發展。

      在今后的研究工作中,仍需進一步強化刀具及加工工藝協同優化工作,并對刀具智能化監控及管理技術進行運用,從而使汽車配件數控加工更加智能、自動化及綠色化。

      參考文獻：略

      作者簡介:龍吉業(1973—),男,重慶人,漢族,正高級實習指導教師,高級技師,本科,研究方向:數控加工技術。