陶瓷刀具在發動機領域的高效銑削應用

丁勝明，周俊

一汽解放發動機事業部 江蘇無錫 214000

近年來，重型柴油機市場形勢大好，一汽解放發動機事業部自主研發的奧威發動機更是一機難求，其缸體、缸蓋生產線實行極限模式仍難以滿足裝機需求。此外，為響應國家“碳達峰”和“碳中和”的戰略調整，企業急需在“減碳”“低碳”方面探索新措施、新技術，尋求增產提效新措施。

在不增加機床設備硬件投入的前提下，通過刀具優化升級，提升切削參數和縮短換刀時間，是最直接有效的增產途徑。在此背景下，刀具工程師通過超硬刀片替代硬質合金刀片，利用超硬材料高速切削和耐磨性好的特性，提升切削效率，縮短單件加工時間，同時大幅提高單刃壽命，減少換刀停機。缸蓋頂面、底面粗銑作為缸蓋線的上線工序，其加工效率直接影響整線出產能力，因此本文選擇該粗銑刀作為研究應用的典型案例。

現有加工設備和參數

1）加工設備：德國臥式銑削專機。

2）刀盤：德國φ500mm密齒刀盤。

3）刀片：德國SCGW09T308，材料為硬質合金。

4）最大轉速：224r/min。

5）最大負載功率：85kW。

6）切削參數見表1。

表1 現用切削參數

加工零件如圖1所示。

圖1 加工零件部位

現狀分析

1.國產毛坯材質不穩定

缸蓋鑄件毛坯由國內供應商提供，由于鑄造工藝難度大和原材料問題，毛坯表面會有硬度極高且不規則披縫硬皮，現有硬質合金刀片耐磨性和強度不夠，生產過程經常出現刀片崩刃問題（見圖2）。

圖2 刀片刃口崩刃

2.硬質合金刀片已無提升空間

缸蓋毛坯尺寸為1069mm×354mm×185mm，體積較大，金屬去除量大，刀片單刃設定壽命150件。從換下的刀片看，后刀面磨損普遍比較嚴重（見圖3），磨損寬度超過0.5mm，分析認為設定壽命已達刀片磨損極限，無進一步提升空間。

圖3 硬質合金刀片后刀面磨損情況

該刀具原方案是采用某進口品牌硬質合金涂層刀片，材質為近年新開發的WKP25S和復合TiAlN涂層。之后曾試驗過某進口品牌新升級WKP25G刀片及多家國產或進口品牌刀片，但壽命和效率均未超過現有刀片。目前，刀具線速度高達188m/min，每齒進給量0.27mm，已經達到硬質合金銑刀最大極限，該材質刀片已無效率和壽命提升空間。

超硬材料選擇

1.選擇研究對象

為了進一步提升刀具壽命，提高加工效率，滿足高速加工要求，需研究應用硬度更高、耐磨性更好的刀具材料。因此，根據切削材料比較圖（見圖4），選擇了硬度高于硬質合金的金剛石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、陶瓷這三種超硬材料作為項目研究對象。

圖4 切削材料比較

2.對比確認刀具材料

（1）PCD材質（金剛石）特性 目前已知的最硬物質，其硬度接近10 000HV；不適合加工鐵族材料，它會由于鐵和碳原子的親和性產生的黏附作用而損壞；適合連續加工。

（2）CBN（立方氮化硼）材質特性 具有很高的硬度及耐磨性，硬度高達8000～9000HV；具有良好的熱穩定性和化學穩定性，可耐1300～1500℃的高溫，并且與鐵族元素有很大的化學惰性；適合連續加工。

（3）陶瓷材質特性 具有高硬度、高耐磨性、優良的化學穩定性和低摩擦系數；高溫下，仍能保持較高的硬度，適合高速切削；具有高的韌性、抗熱振性及抗沖擊能力，一般可用于粗加工鑄鐵，甚至帶有斷續切削和變化的切削余量。

通過對上述三種材料的對比研究發現，三種超硬材料均有很高的硬度及熱穩定性，能滿足高速加工要求。但PCD材質不適合加工鐵族元素，無法滿足鑄鐵加工。CBN材質較脆，而鑄件表面存在較多的飛邊凸起會沖擊刀片，引起刀片崩刃，無法適應粗加工要求。因此綜合比較后，選擇了兼顧硬度及韌性的陶瓷材料作為攻關對象。

陶瓷刀具開發及試驗過程

1.刀盤關鍵尺寸及幾何角度設計

（1）關鍵尺寸設計 根據工藝尺寸要求及刀具連接盤尺寸，確認刀具有效直徑及安裝連接部位尺寸。

（2）主偏角設計 主偏角主要影響被吃刀量及徑向切削力。主偏角越大，被吃刀量越大，徑向力也越大。銑刀常用主偏角有90°、75°、60°及45°，09刀片對應的被吃刀量分別為9mm、8.69mm、7.79mm及6.36mm，而缸蓋頂面、底面工序切削余量均為3～4mm，因此4種角度均能滿足要求。以90°及45°主偏角為例（見圖5），根據受力分析可見，90°主偏角徑向力遠大于軸向力，而45°主偏角徑向力等于軸向力。粗銑加工常見失效模式為工件爆口，要求徑向力盡可能小，因此在切削深度滿足要求的前提下，采用45°主偏角設計（見圖6）。

圖5 90°及45°主偏角受力分析

圖6 陶瓷刀具主偏角設計

（3）刀片后角設計 后角主要影響工件表面粗糙度及刀片經濟性。刀片后角常用角度為11°及0°，11°后角加工表面粗糙度較好，但只能單面使用，經濟性較差，而0°后角加工表面粗糙度略差，但可雙面使用，經濟性好。結合實際加工為粗加工，同時考慮刀具成本，采用0°后角設計。

（4）刀片前角設計 前角主要影響切削刃強度及鋒利程度。行業內考慮陶瓷刀片制造難度及切削刃強度，均采用不帶槽型的0°前角設計，因此本次也采用0°刀片前角。

（5）刀盤軸向、徑向前角設計 軸向、徑向前角將影響切削力大小及切削刃抗沖擊性能。由于刀片后角采用0°設計，因此軸向、徑向前角相應采用雙負前角設計。常用雙負前角為-3°～-5°，通過尋求國內知名刀具商技術支持，采用模擬試驗的方法，項目最終確定軸向、徑向前角均為-4°設計（見圖7）。

圖7 刀盤軸向、徑向前角設計

2.試驗過程

與國內知名刀具供應商聯合完成陶瓷刀具制造后，隨即組織了刀具試驗，刀具實物如圖8所示。采用了4組切削參數（參數1為原參數）進行對比試驗，具體試驗方案見表2。

表2 切削參數對比試驗方案

圖8 陶瓷刀具

刀具設定壽命按照推薦的400件進行，參數1～3均進行了5輪試驗，參數4由于前兩輪試驗均出現刀片崩刃問題而停止試驗，具體試驗結果見表3。

表3 切削參數對比試驗結果

由表3可見，采用參數1、參數2、參數3試驗時加工情況正常，基本均可達到設定壽命400件，刀片磨損情況如圖9所示，后刀面磨損達到0.27～0.28mm，接近陶瓷刀片0.3mm的磨損極限標準，故不再繼續進行提升壽命試驗。采用參數4試驗時出現了刀片崩刃現象（見圖10），刀具中途異常下機。故為追求高效生產，該工序陶瓷刀具加工采用參數3最為合理。

圖10 參數4試驗中刀片崩刃

陶瓷刀具試驗完成后，進行了20輪刀具小批驗證，加工情況穩定，未出現刀片崩刃、功率報警等現象。

結語

通過對超硬材料特性進行研究分析，自主開發陶瓷刀具以及實際上機床進行刀具試驗，摸索出HT250材料使用陶瓷刀具的最優切削參數。利用陶瓷材料熱穩定性和耐磨性好的特性，實現高速高效加工，大幅提升刀具壽命，減少換刀等輔助時間。

（1）壽命提升 實際刀具壽命由150件提升至400件，提升167%。

（2）效率提升 進給速度由1850mm/min提升至2500mm/min；加工時間由72.3s降至53.5s，降幅約26%。

（3）停機減少 換刀次數由每日更換2～3次減少至每日更換1次，換刀停機時間由75min降至30min，降幅60%。

在該粗銑刀試驗成功后，繼續推廣至加工發動機缸體頂面、底面、冷卻器安裝面等工序應用，在鑄鐵加工中成功批量應用陶瓷超硬刀具，為生產效率和產能提升找到了一條新途徑。