超硬刀具在鋁合金活塞加工中的應(yīng)用與發(fā)展*

張寶國(guó)

(濱州學(xué)院黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究院自動(dòng)控制研究中心，山東濱州 256603)

超硬刀具主要包括金剛石刀具和立方氮化硼刀具，其中以人造金剛石復(fù)合片(PCD)刀具及立方氮化硼復(fù)合片(PCBN)刀具占主導(dǎo)地位。隨著材料工業(yè)及精密機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，尤其隨著現(xiàn)代制造業(yè)(尤其是汽車(chē)制造業(yè))的快速發(fā)展，精密切削、超精密切削和難切削材料使用的增多，超硬刀具的需求量逐年快速增長(zhǎng)，應(yīng)用日益廣泛。

超硬材料刀具具有加工工效高、使用壽命長(zhǎng)和加工質(zhì)量好等特點(diǎn)。過(guò)去主要用于精加工，近幾年來(lái)由于改進(jìn)了人造超硬刀具材料的生產(chǎn)工藝，控制了原料純度和晶粒尺寸，采用了復(fù)合材料和熱壓工藝等，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，除適于一般的精加工和半精加工外，還可用于粗加工。利用超硬材料加工鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金等工件，其切削速度可比硬質(zhì)合金高一個(gè)數(shù)量級(jí)，刀具壽命可比硬質(zhì)合金高幾十、甚至幾百倍。同時(shí)他的出現(xiàn)，還使傳統(tǒng)的工藝概念發(fā)生變化，利用超硬刀具常常可直接以車(chē)、銑代磨(或拋光)，對(duì)淬硬工件加工，可用單一工序代替多道工序，大大縮短工藝流程。

1 鋁合金活塞的加工工藝特點(diǎn)

活塞(圖1)是發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，承受交變的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最?lèi)毫拥年P(guān)鍵零部件之一。活塞的功用是承受氣體壓力，并通過(guò)活塞銷(xiāo)傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)、輸出動(dòng)力。

目前在我國(guó)活塞制造行業(yè)中，活塞的機(jī)加工工藝大多數(shù)以止口作為多道工序的定位基準(zhǔn)而進(jìn)行的，其工藝流程基本如下:粗車(chē)止口→粗車(chē)外圓、頂面→精車(chē)止口→粗鏜銷(xiāo)孔→精車(chē)環(huán)槽→半精車(chē)外圓→精鏜銷(xiāo)孔→車(chē)擋圈槽→車(chē)內(nèi)角→粗精車(chē)燃燒室→精車(chē)外圓。在以上工序中，精車(chē)環(huán)槽、精鏜銷(xiāo)孔、精車(chē)外圓是重點(diǎn)工序，是質(zhì)量嚴(yán)控點(diǎn)，在加工過(guò)程中對(duì)機(jī)床、刀具的要求比較高，由于加工設(shè)備短時(shí)間不能改變，只能通過(guò)改變刀具的材料與性能來(lái)提高切削質(zhì)量和加工效率。

2 超硬刀具在活塞加工中應(yīng)用與發(fā)展

超硬材料刀具雖然經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，但在活塞加工行業(yè)的應(yīng)用才是近十多年的事情。山東濱州渤海活塞股份有限公司是國(guó)內(nèi)唯一一家以?xún)?nèi)燃機(jī)活塞作為主導(dǎo)產(chǎn)品的上市公司。超硬材料刀具在該公司的應(yīng)用情況基本就是超硬材料刀具在中國(guó)活塞加工行業(yè)應(yīng)用情況的縮影。筆者曾在該企業(yè)工作多年，并主持參與了超硬材料刀具在活塞加工中的實(shí)驗(yàn)、推廣等一系列工作，為超硬材料刀具在我國(guó)活塞加工行業(yè)的推廣應(yīng)用，摸索積累了一些有益的經(jīng)驗(yàn)和作法。

2.1 PCD超硬刀具在活塞加工中應(yīng)用與發(fā)展

PCD是指將金剛石微粉(粒度為微米級(jí))與少量的金屬粉末(如Co等)混合后在高溫(1 400℃)高壓(幾個(gè)GPa)下燒結(jié)而成的聚晶體。市場(chǎng)上作為商品供應(yīng)的PCD復(fù)合片是由0.5～0.7 mm厚的聚晶金剛石層在高溫高壓下使其牢固地和硬質(zhì)合金襯底結(jié)合的一種超硬復(fù)合材料，它既具備PCD的高硬度、高耐磨性，又兼有硬質(zhì)合金的良好強(qiáng)度和韌性。具有以下特性:(1)極高的硬度和耐磨性。聚晶金剛石的硬度比硬質(zhì)合金高3～4倍，接近天然金剛石;耐磨性高100多倍。(2)小摩擦系數(shù)和高彈性模量。小的摩擦系數(shù)可以減小切削力，降低切削溫度;PCD的彈性模量比硬質(zhì)合金高得多，故其切削刃在切削過(guò)程中不易產(chǎn)生變形，能在很大程度上保持刀刃的原始幾何參數(shù)，長(zhǎng)期保持刃口鋒利。(3)良好的導(dǎo)熱性和小熱膨脹系數(shù)。高的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散率使PCD刀具在切削中切削熱容易散失掉，這樣切削區(qū)溫度會(huì)較低，刀具使用壽命長(zhǎng);小的熱膨脹系數(shù)使刀具在切削過(guò)程中不易產(chǎn)生很大的變形。(4)刃口鋒利且刃面粗糙度值小。PCD刀具刃口非常鋒利，一般刃口鋸齒峰值小于5 μm，刃口鈍圓半徑小于4 μm;PCD刀具前刀面粗糙度值可達(dá)0.01 μm，是鏡面，這樣可以使切屑沿前刀面容易流出，減少積屑瘤的產(chǎn)生。

PCD的優(yōu)良特點(diǎn)使PCD刀具廣泛應(yīng)用于加工鋁合金，尤其是高硅鋁合金。高硅鋁合金的硬度和耐磨性比其他鋁合金高，切削時(shí)刀具交替切削軟的鋁基和硬度高的硅顆粒，采用普通硬質(zhì)合金刀具很容易磨損。同時(shí)刀具也很容易產(chǎn)生積屑瘤，因而會(huì)使加工精度和表面粗糙度惡化。為了避免產(chǎn)生積屑瘤和加工硬化，刀刃必須鋒利，刀面必須光滑，PCD刀具正好符合這些要求。

基于以上理論基礎(chǔ)，我們著手準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)PCD刀具在活塞加工中的應(yīng)用。精車(chē)環(huán)槽工序是活塞加工中的關(guān)鍵工序。活塞的環(huán)槽是與活塞環(huán)配合來(lái)密封發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室，如果環(huán)槽的加工質(zhì)量達(dá)不到要求，就會(huì)導(dǎo)致密封性不好，將影響發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。因此環(huán)槽的加工質(zhì)量要求很高，尤其是活塞環(huán)槽的寬度。為了保證加工質(zhì)量，由于刀具材料(硬質(zhì)合金刀具)的原因，該工序的加工節(jié)拍時(shí)間較長(zhǎng)，此工序成了活塞加工中的瓶頸工序。因此我們決定在此工序上進(jìn)行PCD刀具的切削試驗(yàn)。

PCD復(fù)合片的質(zhì)量十分關(guān)鍵，由于當(dāng)時(shí)國(guó)產(chǎn)PCD刀片質(zhì)量很不穩(wěn)定，我們選用了美國(guó)通用電氣公司(GE公司)生產(chǎn)的PCD復(fù)合片。圖2所示是我們?cè)O(shè)計(jì)的精車(chē)環(huán)槽刀具。

我們?cè)O(shè)計(jì)的PCD槽刀由威海的一家刀具廠加工，檢驗(yàn)合格后進(jìn)行切削試驗(yàn)。

設(shè)備:LBHC－50數(shù)控車(chē)床、轉(zhuǎn)速:900 m/min、進(jìn)給:0.1 mm/r、冷卻液:水基乳化液、活塞(直徑 φ100 mm)材料:含硅約12%的共晶鋁硅合金。

試驗(yàn)記錄:開(kāi)始加工，刀具切削狀況良好，加工到100只時(shí)，環(huán)槽側(cè)面粗糙度Ra0.31 μm，環(huán)槽寬度尺寸穩(wěn)定。加工到300只時(shí)，環(huán)槽側(cè)面粗糙度Ra0.29 μm，環(huán)槽寬度尺寸沒(méi)有變化。加工到500只時(shí)，環(huán)槽側(cè)面粗糙度Ra0.32 μm，環(huán)槽寬度尺寸沒(méi)有變化。加工到1 000只時(shí)，發(fā)現(xiàn)槽側(cè)面有輕微的振紋，刀具有打嘟嚕(顫振)現(xiàn)象，但粗糙度和槽寬基本沒(méi)有變化;我們把刀具伸出長(zhǎng)度變短后，打嘟嚕現(xiàn)象消失。我們分析原因:槽刀的寬度只有2.5 mm，剛性較差。一直加工到10 000只，加工表面粗糙度不僅滿(mǎn)足工藝要求的Ra0.4 μm，而且Ra的值能穩(wěn)定地達(dá)到0.4 μm 以下，環(huán)槽寬度穩(wěn)定，誤差小于要求的0.02 mm。直至加工到了13 000只左右時(shí)，槽側(cè)粗糙度才開(kāi)始大于0.4 μm，我們停止加工。

結(jié)論:與硬質(zhì)合金刀具相比，采用PCD槽刀加工活塞環(huán)槽時(shí)的加工工件數(shù)提高了20倍左右，不僅大大提高了加工效率和加工質(zhì)量，而且還顯著降低了加工成本。

以后我們又在活塞加工的其他工序如:精鏜銷(xiāo)孔、精車(chē)外圓工序上試驗(yàn)PCD刀具的應(yīng)用，都取得了比較好的結(jié)果，大大提高了產(chǎn)品加工效率和加工質(zhì)量。在長(zhǎng)期的生產(chǎn)加工中，我們又優(yōu)化了刀具幾何角度、切削參數(shù)，使得PCD刀具加工工件的件數(shù)比剛開(kāi)始應(yīng)用時(shí)又提高了很多，能達(dá)到20 000件。近幾年隨著國(guó)產(chǎn)PCD刀具材料復(fù)合片質(zhì)量的提高，如果采用國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，產(chǎn)品中的刀具成本更為降低。

2.2 PCBN超硬刀具在活塞加工中應(yīng)用與發(fā)展

立方氮化硼(CBN)是為適應(yīng)一些難加工材料的加工和精密加工的需要，在20世紀(jì)70年代迅速發(fā)展起來(lái)的超硬材料。CBN刀具在加工淬硬鋼、冷硬鑄鐵等難加工材料和精密加工中，已取得顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果，成為以車(chē)代磨、以銑代磨的最佳刀具之一。CBN刀具作為新型的超硬刀具已在加工行業(yè)廣泛應(yīng)用，但在活塞加工行業(yè)應(yīng)用還不太普遍，有待我們摸索、推廣。

立方氮化硼刀具的主要性能特點(diǎn):(1)高的硬度與耐磨性。具有與金剛石相近的硬度。(2)很高的熱穩(wěn)定性。CBN的耐熱性可達(dá)1 400～1 500℃，比金剛石的耐熱性(700～800℃)幾乎高1倍。(3)優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。與鐵系材料到1 200～1 300℃時(shí)也不起化學(xué)作用，與碳只是在2 000℃是才起反應(yīng)。(4)具有較好的熱導(dǎo)性。CBN熱導(dǎo)性雖然趕不上金剛石，但是在各類(lèi)刀具材料中PCBN的熱導(dǎo)性?xún)H次于金剛石，大大高于高速鋼和硬質(zhì)合金。(5)具有較小的摩擦系數(shù)。小的摩擦系數(shù)可使切削時(shí)的切削力減小，切削溫度降低，加工表面質(zhì)量提高。

CBN超硬刀具的特點(diǎn)使CBN刀具非常適合在活塞靠模加工上應(yīng)用。活塞的外圓仿形加工就是預(yù)先設(shè)計(jì)制造一個(gè)與活塞外圓型線(xiàn)相似的立體靠模(圖3)，安裝在車(chē)床主軸的連接盤(pán)上，在靠模的另一端再安裝需要加工的活塞，通過(guò)仿形裝置中的仿形觸點(diǎn)在靠模上接觸移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)中凸—變橢圓型面活塞的加工(此加工方法類(lèi)似我們?nèi)粘Ｉ钪械呐滂€匙的加工方法)。仿形加工的關(guān)鍵是立體靠模的精度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，活塞外圓仿形加工誤差的一半來(lái)自靠模誤差，因此立體靠模的材料、加工精度和加工方法非常重要。靠模材料選用 GCr15軸承鋼，熱處理硬度高達(dá)60～64 HRC。加工這樣高硬度的材料，以前我們只能用專(zhuān)用磨床通過(guò)磨削加工來(lái)完成，效率比較低，對(duì)于外圓型線(xiàn)、橢圓復(fù)雜的靠模還必須手工打磨才能完成。

PCBN刀具的出現(xiàn)，為我們開(kāi)辟了一條加工淬硬鋼材料的新工藝。PCBN特別適合于加工以前只能磨削加工的高硬材料，能獲得較好的工件表面質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)以車(chē)代磨。我們開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了加工靠模的PCBN刀具(圖4)，在我們自己研發(fā)的專(zhuān)用靠模數(shù)控車(chē)床上試驗(yàn)加工靠模。切削參數(shù):切削速度vc=140 m/min，吃刀量ap=0.15 mm，進(jìn)給速度f(wàn)=0.1 mm/r，干切削。試驗(yàn)結(jié)果:我們只用了2 h就完成了一個(gè)靠模的加工，以前磨削加工相同的靠模需要8 h才能完成，加工表面質(zhì)量滿(mǎn)足圖紙要求，而且車(chē)削能完成各種復(fù)雜型面靠模的加工，加工效率大大提高，大大降低了活塞加工成本。

3 超硬刀具在活塞加工推廣應(yīng)用中存在問(wèn)題分析

回顧超硬刀具在我國(guó)活塞加工業(yè)應(yīng)用發(fā)展的歷程，雖然取得了一點(diǎn)成就，但是我國(guó)超硬技術(shù)發(fā)展速度還比較緩慢，超硬刀具還難以大范圍推廣，尤其在一些中小活塞加工企業(yè)，推廣應(yīng)用還有一定的困難，主要原因在于以下幾個(gè)方面:

(1)國(guó)產(chǎn)PCD、PCBN刀具材料均勻性差、質(zhì)量不穩(wěn)定，進(jìn)口的PCD、PCBN刀具材料價(jià)格昂貴。

(2)濱州渤海活塞股份有限公司有進(jìn)口瑞士Ewag公司的RS－09、RS－15刃磨機(jī)床，能刃磨各種材料、形狀的刀具，但是大部分活塞加工企業(yè)超硬刀具刃磨裝備技術(shù)落后，無(wú)先進(jìn)的刃磨機(jī)床，必然影響超硬刀具的應(yīng)用與推廣。

(3)雖然超硬刀具有極高的硬度，但其韌性不如硬質(zhì)合金，更遠(yuǎn)低于高速鋼，因此超硬刀具的主要失效形式為崩刃。崩刃通常由加工中的振動(dòng)引起，提高機(jī)床本身的剛性有助于減小振動(dòng)。因此高剛性的數(shù)控加工機(jī)床是使用超硬刀具的必備條件。但大多數(shù)活塞加工企業(yè)由于資金困難及其他方面的原因，設(shè)備的更新?lián)Q代比較緩慢，也限制了超硬刀具的的應(yīng)用與推廣。

4 建議與前景展望

制造業(yè)是一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科技進(jìn)步的基礎(chǔ)，反映了一個(gè)國(guó)家的綜合技術(shù)水平。我國(guó)作為新崛起的制造大國(guó)，其“世界工廠”的地位決定了國(guó)家必須發(fā)展高速先進(jìn)的切削工具技術(shù)，超硬刀具的推廣和應(yīng)用是必然經(jīng)歷的過(guò)程。因此，國(guó)家應(yīng)在政策和資金的支持下，鼓勵(lì)中小活塞加工企業(yè)更新制造裝備，推廣應(yīng)用超硬刀具。同時(shí)，我們也期待國(guó)內(nèi)超硬刀具材料制造企業(yè)能抓住國(guó)家大發(fā)展的這一機(jī)遇，加大企業(yè)自身的技術(shù)開(kāi)發(fā)力度，研發(fā)制造出質(zhì)量更好、成本更低的超硬刀具，促進(jìn)我國(guó)超硬刀具的推廣應(yīng)用。

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