在歐洲松嘶，由于汽油價(jià)格昂貴昔期，尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，汽車(chē)制造商對(duì)采用蠕墨鑄鐵(Compacted Graphite Iron刻恭，CGI)代替普通灰鑄鐵制造汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體和缸蓋具有濃厚興趣瞧省。采用CGI材料可制造薄壁結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和汽缸體，其缸壁可承受活塞工作時(shí)產(chǎn)生的巨大壓力而不會(huì)膨脹變形鳍贾，這種結(jié)構(gòu)的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)具有重量輕鞍匾、馬力大、燃料效率高骑科、尾氣排放少等優(yōu)點(diǎn)橡淑。荷蘭卡車(chē)制造商DAF Truck NV公司用CGI鑄鐵制造的6缸、12.6升新型發(fā)動(dòng)機(jī)的功率達(dá)530馬力账菊，比采用灰鑄鐵制造的同類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率提高了50馬力祥喳。在北美，采用CGI鑄鐵制造的發(fā)動(dòng)機(jī)可達(dá)到2005尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)溪客，由于CGI缸壁優(yōu)異的抗膨脹變形能力二搀，大大減少了發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的“竄漏”現(xiàn)象，可防止未完全燃燒的廢氣通過(guò)活塞環(huán)泄漏肢箕。

　　轎車(chē)制造商奧迪(Audi)公司的柔性制造單元每年加工1萬(wàn)件CGI V8發(fā)動(dòng)機(jī)殼體诸恤，由于采用常規(guī)刀具加工，刀具費(fèi)用居高不下牲支。由于這些發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于高檔轎車(chē)(在美國(guó)售價(jià)為8萬(wàn)美元)微惦，因此較高的刀具費(fèi)用還可以接受。但是窥血，該公司不久要達(dá)到年產(chǎn)20萬(wàn)件CGI V6發(fā)動(dòng)機(jī)殼體(用于其它型號(hào)轎車(chē))的生產(chǎn)能力婶耕，因此，高速加工CGI的生產(chǎn)效率和加工成本就顯得十分重要牢辣。

　　CGI鑄鐵的韌性和加工性能介于灰鑄鐵與可鍛鑄鐵之間赖厅，其疲勞強(qiáng)度為灰鑄鐵的1.8倍，拉伸強(qiáng)度及彈性模量分別為灰鑄鐵的1.8倍和1.4倍晾咪。CGI鑄鐵材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)中的石墨組織呈蠕蟲(chóng)狀或珊瑚狀收擦，其切削負(fù)荷比石墨組織呈片狀的灰鑄鐵增大了20%～30%。雖然采用常規(guī)刀具也能對(duì)CGI鑄鐵進(jìn)行鏜削和銑削加工谍倦，但只能采用低轉(zhuǎn)速塞赂、高進(jìn)給的切削方式，且刀具壽命很短昼蛀，這對(duì)于小批量宴猾、一次性生產(chǎn)(如NASCAR賽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的加工)是可行的，但對(duì)于大批量發(fā)動(dòng)機(jī)的高效制造叼旋，這種切削方式顯然難以滿(mǎn)足加工要求仇哆。

　　在幾年以前，許多機(jī)械制造專(zhuān)家還認(rèn)為高速切削CGI鑄鐵是很難實(shí)現(xiàn)的夫植。而自旋轉(zhuǎn)刀具的應(yīng)用為CGI鑄鐵的高速加工提供了一種有效途徑税产。自旋轉(zhuǎn)銑削的概念最早由美國(guó)飛機(jī)制造巨頭洛克希德公司(Lockheed Corp.)于20世紀(jì)70年代提出，Rotary Technologies公司對(duì)該技術(shù)加以完善偷崩，并由UNOVA's Lamb Technicon公司將其應(yīng)用于CGI鑄鐵的鏜削加工辟拷。自旋轉(zhuǎn)刀具是一種采用雙負(fù)切削角的圓形旋轉(zhuǎn)刀具，可有效減輕加工中的摩擦與發(fā)熱欣挠，它的應(yīng)用對(duì)未來(lái)幾年汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的改進(jìn)開(kāi)拓了新的途徑卒亩。

　　自旋轉(zhuǎn)鏜刀上設(shè)置有多個(gè)旋轉(zhuǎn)刀夾，每個(gè)刀夾上安裝一個(gè)直徑約27mm的圓形刀片怕枣。每把鏜刀上設(shè)置的刀夾/刀片數(shù)量取決于鏜刀直徑划万，如直徑為76.2mm的鏜刀上通常設(shè)置4個(gè)刀片，直徑為305mm的銑刀上可設(shè)置16個(gè)刀片庸既。自旋轉(zhuǎn)刀片的材料一般為氮化硅陶瓷招蠕，高速加工CGI鑄鐵時(shí)也可采用硬質(zhì)合金牌號(hào)刀片卑蚓。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倾莽。

　　直至不久以前径泉，自旋轉(zhuǎn)刀具并未引起太多人的重視。過(guò)去板刑，自旋轉(zhuǎn)銑刀刀夾軸承及潤(rùn)滑脂的設(shè)計(jì)使刀具系統(tǒng)在加工中容易產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象缰兄，近年來(lái)這些問(wèn)題已逐步得到解決。

　　在20世紀(jì)90年代邑键，機(jī)床制造商向歐洲一家汽車(chē)零件制造商提供了3臺(tái)CNC加工中心上煤，用于加工CGI鑄鐵零件以取代灰鑄鐵零件。工廠(chǎng)采用常規(guī)刀具按加工灰鑄鐵的進(jìn)給量著淆、切削速度等參數(shù)進(jìn)行編程加工時(shí)劫狠，刀具很快破損失效。為滿(mǎn)足生產(chǎn)需要永部，Lamb公司不得不耗資80萬(wàn)美元為廠(chǎng)家免費(fèi)提供了第四臺(tái)CNC加工中心嘉熊。此事促使Lamb公司對(duì)CGI鑄鐵加工工藝和刀具進(jìn)行深入研究。不久扬舒，Lamb公司確認(rèn)了自旋轉(zhuǎn)刀具高速加工CGI的適用性阐肤，并不斷推出新的刀具刃形，以解決刀片周?chē)纳釂?wèn)題讲坎。

　　研究結(jié)果表明孕惜，采用常規(guī)刀具加工時(shí)，刀具與CGI工件表面接觸部位以及切屑沿刀具前刀面發(fā)生摩擦處磨損劇烈晨炕，其溫度分別比剪切面溫度高出約480℃和150℃衫画，高溫使涂層或未涂層的常規(guī)刀具表面迅速軟化，造成刀具早期失效瓮栗。而采用自旋轉(zhuǎn)刀具加工時(shí)树季，旋轉(zhuǎn)刀片可將切屑從切削區(qū)推出，避免刀具與切屑劇烈摩擦而產(chǎn)生大量切削熱番链，雖然刀具與切屑之間仍需一定的摩擦力以推動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)令叉，但這種摩擦及發(fā)熱與使用常規(guī)刀具相比幾乎可忽略不計(jì)。德國(guó)汽車(chē)制造商奧迪集團(tuán)用常規(guī)刀具加工CGI鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)殼體時(shí)(切削速度800m/min蝉齐，切削深度1.5mm溜帐，每齒進(jìn)給量0.2mm)，刀具迅速失效多梅；而采用自旋轉(zhuǎn)刀具以相同切削用量進(jìn)行加工時(shí)勃核，切削15分鐘后刀片切削刃的最大磨損量?jī)H為0.15mm。

　　戴姆勒-克萊斯勒公司(DaimlerChrysler Corp.)在美國(guó)密歇根州Trenton的發(fā)動(dòng)機(jī)工廠(chǎng)雖然不生產(chǎn)CGI鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)殼體苏蒿，但他們采用自旋轉(zhuǎn)刀具加工灰鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)殼體也取得了非常不錯(cuò)的效益俩孽。該廠(chǎng)在年產(chǎn)50萬(wàn)件發(fā)動(dòng)機(jī)殼體(用于Chrysler minivans型轎車(chē))的生產(chǎn)線(xiàn)上采用自旋轉(zhuǎn)銑刀干銑削加工發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的頂面和底面(目前正在試驗(yàn)加工發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的前面和后面)猬听，切削速度約為625m/min，進(jìn)給量為3073mm/min患达。使用自旋轉(zhuǎn)刀具后记令，換刀次數(shù)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(diào)刀站內(nèi)對(duì)自旋轉(zhuǎn)刀具的刀片直徑進(jìn)行專(zhuān)門(mén)調(diào)刀伴鳖。此外节值，許多原有加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與自旋轉(zhuǎn)刀具的使用也不完全匹配徙硅，為此需要對(duì)原有生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行修改和調(diào)整榜聂，雖然這要耗費(fèi)一定的時(shí)間和資金，加上自旋轉(zhuǎn)刀具本身成本也不低(刀片40美元嗓蘑，刀夾225美元)须肆，但與使用自旋轉(zhuǎn)刀具可獲得的效益相比，這一切都是值得的∽螅現(xiàn)在每把刀具的加工壽命已由原來(lái)的500件左右提高到5000～7000件豌汇。

　　戴姆勒-克萊斯勒發(fā)動(dòng)機(jī)廠(chǎng)從2000年初開(kāi)始使用自旋轉(zhuǎn)刀具，在此之前泄隔，該廠(chǎng)已對(duì)這種刀具進(jìn)行了幾年的試驗(yàn)與評(píng)估拒贱。多年來(lái)，自旋轉(zhuǎn)刀具的刀夾軸承發(fā)熱及潤(rùn)滑問(wèn)題一直困擾著技術(shù)人員佛嬉。隨著新的刀夾軸承材料及潤(rùn)滑脂的出現(xiàn)逻澳，加工灰鑄鐵時(shí)的刀夾發(fā)熱問(wèn)題得到了較好解決，但在加工CGI鑄鐵時(shí)仍存在少量的刀夾發(fā)熱現(xiàn)象暖呕，采用逆銑法則可較好解決這一問(wèn)題士敬。逆銑加工時(shí)，刀具以較小的切入角(如15°)進(jìn)入切削雾逢，切削過(guò)程中彻芒，切屑厚度由零逐漸增至最大，這與加工發(fā)動(dòng)機(jī)殼體通常采用的順銑法正好相反赂阻，順銑的切入角較大(如90°)尘晓，切入時(shí)的切深最大，切削過(guò)程中切屑厚度逐漸減小直至為零邪慧。對(duì)于常規(guī)刀具而言蝇居，逆銑法對(duì)刀具壽命不利，由于刀具向前移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)烦草，刀片底部始終與工件發(fā)生摩擦刮锹，易造成發(fā)熱和磨損。但是幽摔，逆銑對(duì)于自旋轉(zhuǎn)刀具加工則比較有利惯狠，因?yàn)樗梢匝娱L(zhǎng)刀夾軸承的壽命丙图，此外，逆銑對(duì)于加工發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的復(fù)雜型面(包括薄壁截面)也很有好處空猜，有助于減輕對(duì)工件的沖擊振動(dòng)绽慈，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辈毯，因?yàn)樽孕D(zhuǎn)刀具最常用的Si3N4陶瓷刀片在切削沖擊作用下比硬質(zhì)合金刀片更易發(fā)生破損坝疼。

　　目前，Lamb公司的技術(shù)人員正致力于減小自旋轉(zhuǎn)刀具的刀夾尺寸谆沃，現(xiàn)已初步設(shè)計(jì)出一種將直徑減小到約15.24mm的新型刀夾钝凶，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(lái)的自旋轉(zhuǎn)鏜刀及其刀夾設(shè)計(jì)唁影，可加工的最小孔徑為76.3mm耕陷，很難用于鏜削汽缸孔以外的其它加工場(chǎng)合，刀夾尺寸減小后据沈，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)更小孔徑的切削加工哟沫。對(duì)于自旋轉(zhuǎn)銑刀，新設(shè)計(jì)的刀夾尺寸僅為原刀夾的一半左右锌介，因此可在相同直徑的刀體上增加刀片數(shù)量嗜诀，從而增大切削工件的進(jìn)給率。這種新型刀夾的開(kāi)發(fā)可大大拓寬自旋轉(zhuǎn)刀具的應(yīng)用范圍症旭。在航空航天業(yè)瀑捣，需要加工大量鈦合金零件，且較多采用端銑方式情丛，通過(guò)開(kāi)發(fā)小直徑刀夾肉棕，可設(shè)計(jì)出小到38mm的小直徑自旋轉(zhuǎn)端銑刀。通過(guò)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)具有正前角或正/負(fù)前角的自旋轉(zhuǎn)刀具暂铭，還可將自旋轉(zhuǎn)刀具的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到鋼件和鋁合金工件的高速加工披腻。

　　許多人認(rèn)為自旋轉(zhuǎn)刀具的使用、維護(hù)和保養(yǎng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力底咳，但事實(shí)并非如此唱撩。除清潔刀夾外并不需要做大量維護(hù)保養(yǎng)工作，在更換刀片和清潔刀夾后只需通過(guò)刀具背后的小孔加入潤(rùn)滑脂即可珍霉。對(duì)一把直徑254mm的13齒自旋轉(zhuǎn)銑刀進(jìn)行換刀安裝耗時(shí)不到半小時(shí)殃倒。

　　Lamb公司表示將進(jìn)一步改進(jìn)自旋轉(zhuǎn)刀具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如新的結(jié)構(gòu)將無(wú)需再對(duì)刀夾軸承加注潤(rùn)滑脂嘿杖。此外梁泞，公司將對(duì)高速銑削CGI鑄鐵時(shí)刀片受熱沖擊作用產(chǎn)生的微裂紋進(jìn)行深入研究。當(dāng)銑刀片在常溫下切入工件材料時(shí)趾痘，其溫度急升至約480℃慢哈，然后在空氣和切削液作用下迅速冷卻蔓钟，此時(shí)刀片極易產(chǎn)生熱裂紋。雖然刀片制造商開(kāi)發(fā)了耐熱性能好的硬質(zhì)合金和Si3N4陶瓷刀片卵贱，但用自旋轉(zhuǎn)刀片高速切削韌性較好的CGI鑄鐵時(shí)滥沫，仍可能產(chǎn)生熱裂紋。

　　目前键俱，Rotary echnologies公司擁有用自旋轉(zhuǎn)刀具加工非CGI材料(包括加工發(fā)動(dòng)機(jī)殼體)的技術(shù)專(zhuān)利兰绣；而Lamb公司在Rotary Technologies公司協(xié)助下正致力于自旋轉(zhuǎn)刀夾系統(tǒng)的應(yīng)用，并在全球唯一擁有應(yīng)用自旋轉(zhuǎn)刀具銑削和鏜削CGI鑄鐵材料的技術(shù)專(zhuān)利编振，因此缀辩，此項(xiàng)加工技術(shù)目前僅在Lamb公司制造的機(jī)床上應(yīng)用。

（張憲(編譯)）

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