陶瓷刀具在发动机领域的高效铣削应用

丁胜明，周俊

一汽解放发动机事业部 江苏无锡 214000

近年来，重型柴油机市场形势大好，一汽解放发动机事业部自主研发的奥威发动机更是一机难求，其缸体、缸盖生产线实行极限模式仍难以满足装机需求。此外，为响应国家“碳达峰”和“碳中和”的战略调整，企业急需在“减碳”“低碳”方面探索新措施、新技术，寻求增产提效新措施。

在不增加机床设备硬件投入的前提下，通过刀具优化升级，提升切削参数和缩短换刀时间，是最直接有效的增产途径。在此背景下，刀具工程师通过超硬刀片替代硬质合金刀片，利用超硬材料高速切削和耐磨性好的特性，提升切削效率，缩短单件加工时间，同时大幅提高单刃寿命，减少换刀停机。缸盖顶面、底面粗铣作为缸盖线的上线工序，其加工效率直接影响整线出产能力，因此本文选择该粗铣刀作为研究应用的典型案例。

现有加工设备和参数

1）加工设备：德国卧式铣削专机。

2）刀盘：德国φ500mm密齿刀盘。

3）刀片：德国SCGW09T308，材料为硬质合金。

4）最大转速：224r/min。

5）最大负载功率：85kW。

6）切削参数见表1。

表1 现用切削参数

加工零件如图1所示。

图1 加工零件部位

现状分析

1.国产毛坯材质不稳定

缸盖铸件毛坯由国内供应商提供，由于铸造工艺难度大和原材料问题，毛坯表面会有硬度极高且不规则披缝硬皮，现有硬质合金刀片耐磨性和强度不够，生产过程经常出现刀片崩刃问题（见图2）。

图2 刀片刃口崩刃

2.硬质合金刀片已无提升空间

缸盖毛坯尺寸为1069mm×354mm×185mm，体积较大，金属去除量大，刀片单刃设定寿命150件。从换下的刀片看，后刀面磨损普遍比较严重（见图3），磨损宽度超过0.5mm，分析认为设定寿命已达刀片磨损极限，无进一步提升空间。

图3 硬质合金刀片后刀面磨损情况

该刀具原方案是采用某进口品牌硬质合金涂层刀片，材质为近年新开发的WKP25S和复合TiAlN涂层。之后曾试验过某进口品牌新升级WKP25G刀片及多家国产或进口品牌刀片，但寿命和效率均未超过现有刀片。目前，刀具线速度高达188m/min，每齿进给量0.27mm，已经达到硬质合金铣刀最大极限，该材质刀片已无效率和寿命提升空间。

超硬材料选择

1.选择研究对象

为了进一步提升刀具寿命，提高加工效率，满足高速加工要求，需研究应用硬度更高、耐磨性更好的刀具材料。因此，根据切削材料比较图（见图4），选择了硬度高于硬质合金的金刚石（PCD）、立方氮化硼（CBN）、陶瓷这三种超硬材料作为项目研究对象。

图4 切削材料比较

2.对比确认刀具材料

（1）PCD材质（金刚石）特性 目前已知的最硬物质，其硬度接近10 000HV；不适合加工铁族材料，它会由于铁和碳原子的亲和性产生的黏附作用而损坏；适合连续加工。

（2）CBN（立方氮化硼）材质特性 具有很高的硬度及耐磨性，硬度高达8000～9000HV；具有良好的热稳定性和化学稳定性，可耐1300～1500℃的高温，并且与铁族元素有很大的化学惰性；适合连续加工。

（3）陶瓷材质特性 具有高硬度、高耐磨性、优良的化学稳定性和低摩擦系数；高温下，仍能保持较高的硬度，适合高速切削；具有高的韧性、抗热振性及抗冲击能力，一般可用于粗加工铸铁，甚至带有断续切削和变化的切削余量。

通过对上述三种材料的对比研究发现，三种超硬材料均有很高的硬度及热稳定性，能满足高速加工要求。但PCD材质不适合加工铁族元素，无法满足铸铁加工。CBN材质较脆，而铸件表面存在较多的飞边凸起会冲击刀片，引起刀片崩刃，无法适应粗加工要求。因此综合比较后，选择了兼顾硬度及韧性的陶瓷材料作为攻关对象。

陶瓷刀具开发及试验过程

1.刀盘关键尺寸及几何角度设计

（1）关键尺寸设计 根据工艺尺寸要求及刀具连接盘尺寸，确认刀具有效直径及安装连接部位尺寸。

（2）主偏角设计 主偏角主要影响被吃刀量及径向切削力。主偏角越大，被吃刀量越大，径向力也越大。铣刀常用主偏角有90°、75°、60°及45°，09刀片对应的被吃刀量分别为9mm、8.69mm、7.79mm及6.36mm，而缸盖顶面、底面工序切削余量均为3～4mm，因此4种角度均能满足要求。以90°及45°主偏角为例（见图5），根据受力分析可见，90°主偏角径向力远大于轴向力，而45°主偏角径向力等于轴向力。粗铣加工常见失效模式为工件爆口，要求径向力尽可能小，因此在切削深度满足要求的前提下，采用45°主偏角设计（见图6）。

图5 90°及45°主偏角受力分析

图6 陶瓷刀具主偏角设计

（3）刀片后角设计 后角主要影响工件表面粗糙度及刀片经济性。刀片后角常用角度为11°及0°，11°后角加工表面粗糙度较好，但只能单面使用，经济性较差，而0°后角加工表面粗糙度略差，但可双面使用，经济性好。结合实际加工为粗加工，同时考虑刀具成本，采用0°后角设计。

（4）刀片前角设计 前角主要影响切削刃强度及锋利程度。行业内考虑陶瓷刀片制造难度及切削刃强度，均采用不带槽型的0°前角设计，因此本次也采用0°刀片前角。

（5）刀盘轴向、径向前角设计 轴向、径向前角将影响切削力大小及切削刃抗冲击性能。由于刀片后角采用0°设计，因此轴向、径向前角相应采用双负前角设计。常用双负前角为-3°～-5°，通过寻求国内知名刀具商技术支持，采用模拟试验的方法，项目最终确定轴向、径向前角均为-4°设计（见图7）。

图7 刀盘轴向、径向前角设计

2.试验过程

与国内知名刀具供应商联合完成陶瓷刀具制造后，随即组织了刀具试验，刀具实物如图8所示。采用了4组切削参数（参数1为原参数）进行对比试验，具体试验方案见表2。

表2 切削参数对比试验方案

图8 陶瓷刀具

刀具设定寿命按照推荐的400件进行，参数1～3均进行了5轮试验，参数4由于前两轮试验均出现刀片崩刃问题而停止试验，具体试验结果见表3。

表3 切削参数对比试验结果

由表3可见，采用参数1、参数2、参数3试验时加工情况正常，基本均可达到设定寿命400件，刀片磨损情况如图9所示，后刀面磨损达到0.27～0.28mm，接近陶瓷刀片0.3mm的磨损极限标准，故不再继续进行提升寿命试验。采用参数4试验时出现了刀片崩刃现象（见图10），刀具中途异常下机。故为追求高效生产，该工序陶瓷刀具加工采用参数3最为合理。

图10 参数4试验中刀片崩刃

陶瓷刀具试验完成后，进行了20轮刀具小批验证，加工情况稳定，未出现刀片崩刃、功率报警等现象。

结语

通过对超硬材料特性进行研究分析，自主开发陶瓷刀具以及实际上机床进行刀具试验，摸索出HT250材料使用陶瓷刀具的最优切削参数。利用陶瓷材料热稳定性和耐磨性好的特性，实现高速高效加工，大幅提升刀具寿命，减少换刀等辅助时间。

（1）寿命提升 实际刀具寿命由150件提升至400件，提升167%。

（2）效率提升 进给速度由1850mm/min提升至2500mm/min；加工时间由72.3s降至53.5s，降幅约26%。

（3）停机减少 换刀次数由每日更换2～3次减少至每日更换1次，换刀停机时间由75min降至30min，降幅60%。

在该粗铣刀试验成功后，继续推广至加工发动机缸体顶面、底面、冷却器安装面等工序应用，在铸铁加工中成功批量应用陶瓷超硬刀具，为生产效率和产能提升找到了一条新途径。