用自旋轉刀具高速加工CGI鑄鐵

　　在歐洲，由于汽油價格昂貴，尾氣排放標準嚴格，汽車制造商對采用緊密石墨 鑄鐵（CompactedGraphiteIron，CGI）代替普通灰鑄鐵制造汽車發動機的缸體和缸蓋具有濃厚興趣。采用CGI材料可制造薄壁結構的發 動機殼體和汽缸體，其缸壁可承受活塞工作時產生的巨大壓力而不會膨脹變形，這種結構的汽車發動機具有重量輕、馬力大、燃料效率高、尾氣排放少等優點。荷蘭 卡車制造商DAFTruckNV公司用CGI鑄鐵制造的6缸、12.6升新型發動機的功率達530馬力，比采用灰鑄鐵制造的同類發動機的功率提高了50馬 力。在北美，采用CGI鑄鐵制造的發動機可達到2005尾氣排放標準，由于CGI缸壁優異的抗膨脹變形能力，大大減少了發動機工作時的“竄漏”現象，可防 止未完全燃燒的廢氣通過活塞環泄漏。

    　轎車制造商奧迪（Audi）公司的柔性制造單元每年加工1萬件CGIV8發動機殼體，由于采用常規刀具加工，刀具費用居高不下。由于這些發動機主要用于 高檔轎車（在美國售價為8萬美元），因此較高的刀具費用還可以接受。但是，該公司不久要達到年產20萬件CGIV6發動機殼體（用于其它型號轎車）的生產 能力，因此，高速加工CGI的生產效率和加工成本就顯得十分重要。??

    　CGI鑄鐵的韌性和加工性能介于灰鑄鐵與可鍛鑄鐵之間，其疲勞強度為灰鑄鐵的1.8倍，拉伸強度及彈性模量分別為灰鑄鐵的1.8倍和1.4倍。CGI鑄 鐵材料微觀結構中的石墨組織呈蠕蟲狀或珊瑚狀，其切削負荷比石墨組織呈片狀的灰鑄鐵增大了20％～30％。雖然采用常規刀具也能對CGI鑄鐵進行鏜削和銑 削加工，但只能采用低轉速、高進給的切削方式，且刀具壽命很短，這對于小批量、一次性生產（如NASCAR賽車發動機的加工）是可行的，但對于大批量發動 機的高效制造，這種切削方式顯然難以滿足加工要求。??

  　  在幾年以前，許多機械制造專家還認為高速切削CGI鑄鐵是很難實現的。而自旋轉刀具的應用為CGI鑄鐵的高速加工提供了一種有效途徑。自旋轉銑削的概念最 早由美國飛機制造巨頭洛克希德公司（LockheedCorp.）于20世紀70年代提出，RotaryTechnologies公司對該技術加以完善， 并由UNOVA’sLambTechnicon公司將其應用于CGI鑄鐵的鏜削加工。自旋轉刀具是一種采用雙負切削角的圓形旋轉刀具，可有效減輕加工中的 摩擦與發熱，它的應用對未來幾年汽車發動機設計的改進開拓了新的途徑。??

    　自旋轉鏜刀上設置有多個旋轉刀夾，每個刀夾上安裝一個直徑約27mm的圓形刀片。每把鏜刀上設置的刀夾/刀片數量取決于鏜刀直徑，如直徑為76.2mm 的鏜刀上通常設置4個刀片，直徑為305mm的銑刀上可設置16個刀片。自旋轉刀片的材料一般為氮化硅陶瓷，高速加工CGI鑄鐵時也可采用硬質合金牌號刀 片。采用倒棱寬度為0.254mm、倒棱角為10°的Si3N4陶瓷刀片可獲得最好的切削效果。

    　直至不久以前，自旋轉刀具并未引起太多人的重視。過去，自旋轉銑刀刀夾軸承及潤滑脂的設計使刀具系統在加工中容易產生過熱現象，近年來這些問題已逐步得到解決。??

   　 在20世紀90年代，機床制造商向歐洲一家汽車零件制造商提供了3臺CNC加工中心，用于加工CGI鑄鐵零件以取代灰鑄鐵零件。工廠采用常規刀具按加工灰 鑄鐵的進給量、切削速度等參數進行編程加工時，刀具很快破損失效。為滿足生產需要，Lamb公司不得不耗資80萬美元為廠家免費提供了第四臺CNC加工中 心。此事促使Lamb公司對CGI鑄鐵加工工藝和刀具進行深入研究。不久，Lamb公司確認了自旋轉刀具高速加工CGI的適用性，并不斷推出新的刀具刃 形，以解決刀片周圍的散熱問題。??

    　研究結果表明，采用常規刀具加工時，刀具與CGI工件表面接觸部位以及切屑沿刀具前刀面發生摩擦處磨損劇烈，其溫度分別比剪切面溫度高出約480℃和 150℃，高溫使涂層或未涂層的常規刀具表面迅速軟化，造成刀具早期失效。而采用自旋轉刀具加工時，旋轉刀片可將切屑從切削區推出，避免刀具與切屑劇烈摩 擦而產生大量切削熱，雖然刀具與切屑之間仍需一定的摩擦力以推動刀片旋轉，但這種摩擦及發熱與使用常規刀具相比幾乎可忽略不計。德國汽車制造商奧迪集團用 常規刀具加工CGI鑄鐵發動機殼體時（切削速度800m/min，切削深度1.5mm，每齒進給量0.2mm），刀具迅速失效；而采用自旋轉刀具以相同切 削用量進行加工時，切削15分鐘后刀片切削刃的最大磨損量僅為0.15mm。??

 　   戴姆勒-克萊斯勒公司（DaimlerChryslerCorp.）在美國密歇根州Trenton的發動機工廠雖然不生產CGI鑄鐵發動機殼體，但他們采 用自旋轉刀具加工灰鑄鐵發動機殼體也取得了非常不錯的效益。該廠在年產50萬件發動機殼體（用于Chryslerminivans型轎車）的生產線上采用 自旋轉銑刀干銑削加工發動機殼體的頂面和底面（目前正在試驗加工發動機殼體的前面和后面），切削速度約為625m/min，進給量為 3073mm/min。使用自旋轉刀具后，換刀次數由以前每年697次減少到46次。使用該刀具的唯一不便之處是需要在原有調刀站內對自旋轉刀具的刀片直 徑進行專門調刀。此外，許多原有加工設備的結構設計與自旋轉刀具的使用也不完全匹配，為此需要對原有生產線進行修改和調整，雖然這要耗費一定的時間和資 金，加上自旋轉刀具本身成本也不低（刀片40美元，刀夾225美元），但與使用自旋轉刀具可獲得的效益相比，這一切都是值得的。現在每把刀具的加工壽命已 由原來的500件左右提高到5000～7000件。??

  　  戴姆勒-克萊斯勒發動機廠從2000年初開始使用自旋轉刀具，在此之前，該廠已對這種刀具進行了幾年的試驗與評估。多年來，自旋轉刀具的刀夾軸承發熱及潤 滑問題一直困擾著技術人員。隨著新的刀夾軸承材料及潤滑脂的出現，加工灰鑄鐵時的刀夾發熱問題得到了較好解決，但在加工CGI鑄鐵時仍存在少量的刀夾發熱 現象，采用逆銑法則可較好解決這一問題。逆銑加工時，刀具以較小的切入角（如15°）進入切削，切削過程中，切屑厚度由零逐漸增至最大，這與加工發動機殼 體通常采用的順銑法正好相反，順銑的切入角較大（如90°），切入時的切深最大，切削過程中切屑厚度逐漸減小直至為零。對于常規刀具而言，逆銑法對刀具壽 命不利，由于刀具向前移動和旋轉，刀片底部始終與工件發生摩擦，易造成發熱和磨損。但是，逆銑對于自旋轉刀具加工則比較有利，因為它可以延長刀夾軸承的壽 命，此外，逆銑對于加工發動機殼體的復雜型面（包括薄壁截面）也很有好處，有助于減輕對工件的沖擊振動，從而獲得較好的加工表面粗糙度。較小的切入角也十 分重要，因為自旋轉刀具最常用的Si3N4陶瓷刀片在切削沖擊作用下比硬質合金刀片更易發生破損。??

   　 目前，Lamb公司的技術人員正致力于減小自旋轉刀具的刀夾尺寸，現已初步設計出一種將直徑減小到約15.24mm的新型刀夾，這種小尺寸刀夾可允許在同 一刀體上布置更多刀片。按原來的自旋轉鏜刀及其刀夾設計，可加工的最小孔徑為76.3mm，很難用于鏜削汽缸孔以外的其它加工場合，刀夾尺寸減小后，即可 實現對更小孔徑的切削加工。對于自旋轉銑刀，新設計的刀夾尺寸僅為原刀夾的一半左右，因此可在相同直徑的刀體上增加刀片數量，從而增大切削工件的進給率。 這種新型刀夾的開發可大大拓寬自旋轉刀具的應用范圍。在航空航天業，需要加工大量鈦合金零件，且較多采用端銑方式，通過開發小直徑刀夾，可設計出小到 38mm的小直徑自旋轉端銑刀。通過進一步開發具有正前角或正/負前角的自旋轉刀具，還可將自旋轉刀具的應用范圍擴展到鋼件和鋁合金工件的高速加工。??

 　   許多人認為自旋轉刀具的使用、維護和保養費時費力，但事實并非如此。除清潔刀夾外并不需要做大量維護保養工作，在更換刀片和清潔刀夾后只需通過刀具背后的小孔加入潤滑脂即可。對一把直徑254mm的13齒自旋轉銑刀進行換刀安裝耗時不到半小時。??

 　   Lamb公司表示將進一步改進自旋轉刀具系統的結構設計，例如新的結構將無需再對刀夾軸承加注潤滑脂。此外，公司將對高速銑削CGI鑄鐵時刀片受熱沖擊作 用產生的微裂紋進行深入研究。當銑刀片在常溫下切入工件材料時，其溫度急升至約480℃，然后在空氣和切削液作用下迅速冷卻，此時刀片極易產生熱裂紋。雖 然刀片制造商開發了耐熱性能好的硬質合金和Si3N4陶瓷刀片，但用自旋轉刀片高速切削韌性較好的CGI鑄鐵時，仍可能產生熱裂紋。??

   　 目前，RotaryTechnologies公司擁有用自旋轉刀具加工非CGI材料（包括加工發動機殼體）的技術專利；而Lamb公司在 RotaryTechnologies公司協助下正致力于自旋轉刀夾系統的應用，并在全球唯一擁有應用自旋轉刀具銑削和鏜削CGI鑄鐵材料的技術專利，因 此，此項加工技術目前僅在Lamb公司制造的機床上應用。