汽车新材料的应用促进刀具创新

发表时间:2015-8-13 浏览:6633

标签:刀具 切削刀具  所属专题:切削加工

    美国汽车工业(包括轿车和卡车制造业)的材料供应商对由政府制定的“企业平均燃油经济性(CAFE)”燃油标准的任何新变化都极为敏感。mpg(每加仑汽油可行驶英里数)每提高0.1点,都要求汽车制造商想方设法减轻汽车零部件的重量,而零部件供应商必须能够加工重量更轻的新材料。减轻发动机总成、车身和底盘的重量可以有效提高mpg。所选择的材料(其中既有新型材料,也有传统材料)包括蠕墨铸铁(CGI)、铝合金和其他一些性能可靠的备选材料,如粉末烧结合金(PM)等。例如,铝合金型材和多种合金就被视为制造新型混合动力汽车和电动汽车(EV)的首选材料。
    用于制造重量更轻、强度更高零部件的每种材料都具有其独特优势,但同时也具有各不相同的加工特性。因此,刀具制造商需要不断面对车削、铣削和钻削这些材料的加工挑战。以下是对刀具制造商及其用户极具挑战性的一些汽车材料应用趋势。
    与灰铸铁或球墨铸铁相比,蠕墨铸铁(CGI)重量更轻、强度更高。用CGI制造汽车发动机缸体,可以采用更薄的缸壁厚度,并能承受燃烧室内更高的温度和压力,从而使发动机体积更小、重量更轻、功率更大、污染排放更少。但是,CGI材料对切削刀具有很大的磨蚀性。
    铝合金(尤其是高硅铝合金)和复合材料的应用正在推动PCD类金刚石涂层、蚀刻加工的金刚石刀片和金刚石钎焊刀具的发展。
    汽车制造商要为用户提供更长的产品保质期,这通常意味着汽车零部件(尤其是运动部件)必须具有更高的尺寸精度和更好的表面质量。为了以更小的功率达到更快的速度,要求汽车的轮轴和轴承表面具有更好的光洁度。这种趋势首先可从赛车行业看出端倪,这个“速度为王”的行业对减轻赛车重量和提高车辆强度极为重视。
    Mapal公司北美业务经理Jeff Bryant认为,无论CAFE标准最终制定出什么样的汽车能耗目标(而且这些目标似乎总在不断变化),但对刀具制造商来说,汽车零部件的切削加工挑战同时在向“重量更轻、强度更高、公差更严”的方向发展。而且,人们公认,新的汽车材料比灰铸铁或其他传统材料更难加工。
    Bryant指出,CAFE标准确定的2012年能耗目标为:汽车33.3mpg(7.05升/100公里),卡车25.4 mpg(9.25升/100公里);而到2016年,汽车和卡车的能耗目标分别要达到37.8mpg(6.22升/100公里)和28.8mpg(8.16升/100公里)。“这种能耗目标颇具挑战性。汽车制造商正在提高孔加工的精度要求。汽车传动系统不允许有任何阀门出现泄漏,制造商正考虑在未来几年内,将阀体控制精度由12μm提高到10μm以下,这超过了能在加工车间进行可靠测量的范围。”
    为了钻削加工在汽车制造业占绝大多数的小直径孔,Mapal公司开发了一种在整体硬质合金刀杆上焊接PCD刀头的钻削刀具。Bryant说,“这种刀具成本较高。一把传统钻削刀具的成本可能在200-1000美元之间。但是,以加工变速箱为例,每个变速箱体需要钻削29个孔,每天要加工800个箱体,即需要钻削2.5-3万个孔。这就意味着,机床每天都必须停机更换刀具。在用PCD刀具进行的钻削试验中,刀具的使用寿命提高了一倍,从而只需每两天换一次刀。我们确信,这种新一代钻削刀具将能连续加工2,000-5,000个箱体。我们的最终目标是实现每周换一次刀。通过提高刀具寿命,延长换刀周期,将能大幅降低每件加工成本(CPU )。”
    山高刀具公司的Don Graham和Chad Miller指出了汽车工业的一些发展趋势:“随着政府强制要求汽车发动机制造商不断减少排放,蠕墨铸铁由于能承受发动机燃烧室的高温高压、满足减少废气排放的要求而倍受青睐,成为取代灰铸铁的理想材料。此外,为了提高燃油经济性和减小涡轮增压器、曲轴、凸轮轴等零部件的尺寸,电动汽车行业正在使用重量更轻的合金材料。汽车零部件材料越轻,其加速性能就越好。例如,赛车手都希望赛车发动机能瞬间加速到最高速度,而用钢或铸铁材料制造的回转零件加速较慢。”
    Graham和Miller还提到了另一种轻型材料——钛铝合金(也称为γ钛合金)。这种材料是航空航天工业于上世纪70年代开发的,但因成本较高、难以加工而没有获得普遍应用。“赛车行业将其重新发掘出来,用于制造推杆、气门杆及其他零部件。虽然还必须解决其加工难题,但这种材料可能会在汽车行业重获新生。由于钛铝合金的耐高温性能极佳,因此可用于制造涡轮增压器。除了切削性能和成本以外,这种材料其他方面的性能都相当优异。”
    Graham解释了如何用切削性能指数来表示不同工件材料的加工难度:“以一种非常软的钢种B1112作为基准,将其切削性能指数值定为100。比较容易加工的材料指数值较高。材料越难加工,其指数值就越低。球墨铸铁的指数值约为50-60,Inconel 718合金的指数值则为15左右,而钛铝合金的指数值仅为5。如果加工一个材质为B1112钢的工件要消耗一枚刀片(或一根钻头、一把拉刀),那么加工同样的球墨铸铁工件就要消耗2枚刀片,加工Inconel 718工件需要消耗7枚刀片,而加工同样的钛铝合金工件则要消耗20枚刀片。”
    山高公司始终将自己置身于刀具涂层技术的最前沿。Graham说,“我们一直在寻找能提高微细晶粒硬质合金完整性的各种方法。其中一个例子是,为了提高刀具完整性和改进切削刃性能,我们具备了交替沉积厚度极薄、硬度极高的TiAlN/TiSiN复合涂层的能力。涂覆于硬质合金基体表面的这些涂层仅有几个原子厚,而硬度提高了20%,达到HV2000。”山高的PVD涂层车削牌号TH 1000就采用了交替沉积的薄涂层;而其CVD涂层牌号TH 1500则采用了Duratomic金刚甲涂层。Graham说,“我们正在原子层面上对刀具涂层进行研究开发,而其他刀具制造商很快也会这样做。”
    住友电工硬质合金公司的Rich Maton介绍说,“在汽车制造业,尤其是在欧洲汽车市场,我们看到的一个最大变化是蠕墨铸铁(CGI)的应用。与球墨铸铁和可锻铸铁相比,CGI重量更轻,但磨蚀性更强。BNS 800牌号是一种整体CBN刀片,而BN 700牌号(采用BN刀尖)则用于车削和铣削更难加工的材料,如制造发动机缸体的CGI。CBN BN7500牌号用于车削加工粉末烧结合金零件,如转轴和齿轮。DA1000牌号PCD刀具可用于铝合金、碳纤维、塑料等多种材质零件的车削、钻削和铣削加工,尤其适合加工发动机缸体和车轮。采用Aurora类金刚石涂层的钻头主要用于钻削加工缸体和轮毂。住友电工的涂层CBN牌号(包括BNC100、BNC160、BNC200和BNC300)则用于加工轴承座圈及类似零件。”
    Maton表示,“我们开始注意到,适合用DA1000 PCD刀具加工的铝合金缸体和其他铝类零件的加工越来越多。汽车零部件的加工千差万别,从铝合金的加工到青铜或黄铜衬套、碳纤维材料的加工,范围相当广泛。这些类型的材料通常在赛车上使用较多。DA 800牌号可用于加工缸孔内径,以及各种淬硬工件。”
    例如,在铝合金轮毂上铣削沟槽时,汽车制造商希望所使用刀具的刀片不会在刀座中发生滑移,这在仿形铣削时尤其重要。伊斯卡公司的Matt Schmitz指出,“因此,必须防止刀片被拉出刀座,造成轮毂损坏。目前已用于PCD刀片的一种新技术是用激光在刀片上烧蚀出断屑台,以更好地控制切屑,从而使轮毂不会被铝合金加工中常见的长切屑划伤或损坏。”
    伊斯卡公司可转位铣削产品经理Hassan Narasimhan简略说明了具有很大磨蚀性的蠕墨铸铁的铣削加工策略:“我们的加工策略是降低表面切削速度,并采用具有更多刃槽的铣刀。加工钛含量超过1%-2%的CGI会大幅缩短刀具寿命。一种解决方案是采用多刃铣刀(可多达22刃),这样有利于提高进给率和缩短加工时间。”
    Narasimhan说,高硅铝合金的硅含量高达8%-12%,通常用于加工铝件的未涂层刀片会快速磨损。“对于希望延长刀具寿命的加工,我们建议采用CVD金刚石涂层刀片。过去通常是使用焊有PCD刀尖的刀具。利用CVD金刚石涂层技术,我们可以将纯金刚石涂覆在刀片的所有切削刃上。对于常规粗加工刀具,涂层前要求对硬质合金基体进行专门制备。这种具有很好成本效益的涂层刀具非常适合发动机缸体加工。”
    三菱材料美国公司的Chris Wills认为,“如今的汽车工业正在采用更高的标准,由于使用了各种合金材料,汽车的品质在不断提升。当你提到加工汽车发动机零件的刀具时,通常是指加工缸盖、缸体、曲轴、凸轮轴和连杆的刀具。我们已经开发出一种用于加工粉末烧结合金的CBN新牌号MB4020,其中含有更多化学性稳定的CBN颗粒,可通过刃口制备形成更大的剪切角。该刀片可用于加工多种发动机零件,包括皮带轮、同步带轮、齿轮等。虽然车削加工仍然是CBN刀具的主要用武之地,但如今它在铣削加工中的应用也日渐增多。一个重要的变化是用CBN刀具加工具有不同热特性的进气阀和排气阀座。将材质为烧结合金的缸套压入重量较轻的铝合金缸体中后,需要用专用刀杆同时加工作为缸体一部分的两种金属材料。”
    山特维克可乐满的汽车制造业和加工专家Troy Stashi指出,“除了具有更高强度的铸铁和铝合金牌号以外,复合材料的应用也在成倍增长。许多汽车制造商正在研究和开发用基础复合材料制造发动机缸体和各种动力总成零部件。复合材料极具磨蚀性,为了实现对它们的有效加工,必须采用不同的刀具结构和切削刃几何形状。尽管许多复合材料零部件都采用注塑成型,需要进行的切削加工并不太多,但仍然需要完成一些铣削、钻削和边缘修整加工。我们与一家主要开发复合材料加工刀具的企业建立了合作伙伴关系。我们正在开发金刚石整体烧结和金刚石涂层刀具,包括专门用于加工碳纤维材料的钻头和铰刀。当你在复合材料上钻孔时,必须避免损坏材料背面的孔口。目前,复合材料正被用于制造进气歧管和车门面板,一些企业也开始用复合材料生产车门内部的结构件和前车架。”
    山特维克可乐满正在开发未来几年汽车工业所需要的全系列刀具。Stashi说,“刀具技术在汽车行业的增长速度超过了任何其他市场,我们能够提供低成本的加工能力和设计资源,是汽车制造商降低每件加工成本的真正合作伙伴。汽车行业已经出现了大幅减少其工艺设计人员的趋势。我们是一家以工艺设计为基础的企业,我们有足够的资源来提供各种加工解决方案,这些方案都是基于汽车行业目前使用的高柔性数控加工中心开发的。”
    欧士机公司(OSG Tap and Die Inc.)的加藤幸解释说,“美国底特律的汽车三巨头和日本的三大汽车公司都在谈论如何减轻汽车重量,以提高燃烧室的工作温度,输出更大的动力。所有的发动机零件,包括缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴和连杆,都必须在更高的温度和压力条件下工作。所有的动力总成制造商,以及他们的加工中心供应商,都将采用最小量润滑(MQL)技术(尤其在曲轴生产线上)。有些制造商也会将MQL技术应用于CGI缸体的切削加工。”
    加藤表示,刀具企业面临的挑战是要努力实现更低的每件加工成本(CPU)。“这一目标迫使我们在研发钻头和丝锥产品上付出更多努力。例如,采用MQL技术的Mega Muscle 钻头可以达到100m/min的切削速度。在高刚性机床上加工时,这种三刃钻头的进给率是双刃钻头的1.5-2倍。加藤指出,“如果机床本身的进给速度不够快,用户也可以按常规进给量和切削速度进行加工,这样可以提高工件的表面光洁度质量,并使刀具寿命延长一倍。”
    OSG应用于丝锥和钻头的WD1涂层是一种铬基涂层,其硬度高于TiAlN涂层,是为抗衡难加工材料产生的更高氧化温度而专门开发的。对于一些通常需用枪钻加工的深孔(如曲柄销孔),OSG开发了EXOCARB-WDO-GDXL超长钻头,该钻头能钻削孔深为20-30倍孔径(最深可达40-50倍孔径)的深孔。“这些钻头可用于普通机床,但需要预钻导向孔。如果用枪钻加工,允许采用的最大每转进给量为钻头直径的1%。而用OSG超长钻头加工时,每转进给量可达钻头直径的2%-6%。”
    加藤指出,挤压成形攻丝正被越来越多的动力总成制造商所接受。“挤压攻丝无需处理切屑。用我们的S-XPF挤压丝锥攻丝时,加工速度可以提高大约50%。挤压丝锥上无需开排屑槽,只有一些很小的导油槽,从而提高了刀体强度,并越来越多地被用于加工发动机缸体、缸盖和其他传动零件。”
    据英格索尔(Ingersoll)刀具公司的工程投标经理Pat Labunski介绍,蠕墨铸铁(CGI)主要用于制造薄壁箱体,以减轻零件重量,其材料成分能够承受更高的压缩比,而这正是当今汽车发动机所需要的。“近净成形铸造使CGI成为一种更具吸引力和实用性的汽油和柴油发动机缸体材料。近净成形铸件需要切除的材料量更少,箱体的壁厚也变得越来越薄,而这正是用传统的负型刀具加工存在问题之处。如今,壁厚小于6.35mm、凸缘小至3.8mm的工件并不鲜见。正型刀片刃形设计和涂层技术的进步,以及硬质合金牌号的升级换代,使这种加工的成本效益比过去显著提高。”
    Labunski指出,在铝合金加工中,使用PCD刀具和PCD导向垫刀具的趋势仍方兴未艾,其应用范围包括各种不同的汽车零部件,如铣削缸盖、悬挂零部件、转向节和各种变速箱等。“PCD刀具适合加工铝合金和双金属材料,我们已开发出一种激光技术,用于在PCD刀具上烧蚀出断屑台,以尽可能减少积屑瘤(BUE)的产生。积屑瘤会使加工表面光洁度开始恶化,严重影响刀具寿命和零件质量,而断屑台可以有效解决这一问题。”
    Komet美国公司的加工解决方案经理Mark Blosser认为,用镁合金制造传动和悬挂零部件,以及用CGI制造发动机缸体和缸盖将渐成趋势。“今后的发展方向是,具有相同马力的发动机体积将变得越来越小,这将导致蠕墨铸铁(CGI)的大量使用。CGI具有更高的强度,可通过减薄气缸之间的壁厚来减轻重量。”制造商也正在探索用CGI制造除缸体和缸盖以外的其他汽车零部件(如动力转向泵等)。
    对于主要采用硬质合金刀具的镗削、铰削和攻丝加工,Komet公司最近开发了用于加工CGI的专用镗刀片,该刀片可在较低切削速度范围内采用更大进给率进行加工。为了增强铝合金和复合材料加工能力,Komet公司不久前收购了一家生产PCD涂层刀具的欧洲企业,为了保持切削刃的锋利度,他们的PCD刀具涂层厚度可小至1μm。Blosser解释说,“采用超薄金刚石涂层是加工铝合金时保持切削刃锋利度的关键所在。”
    作为不断拓展全球业务的一部分,Emuge公司于2011年推出了新的高效JIS丝锥产品线,用于按日本技术标准生产的零件的攻丝加工。新的JIS产品线包括切削丝锥和冷挤压成型丝锥,丝锥的柄部直径和方头尺寸均符合日本标准(JIS),所有JIS丝锥均可加工达到JIS二级公差精度要求的螺纹。
    Emuge公司总裁Peter Matysiak解释说,“为了拓展全球市场,Emuge希望能提供符合一些重要标准(如日本汽车制造业独特的技术规范)的切削刀具。现在,需要根据日本标准加工螺纹的制造商在选用丝锥时有了更多选择。为了进一步支持这种市场拓展,并为位于日本的制造商提供加工和产品信息,Emuge已在日本横滨开设了分公司。”
    Emuge公司新开发的高品质JIS丝锥包括各种不同的刃形和型式,用于在各种工件材料(钢、不锈钢、铸铁、有色金属、钛和钛合金、镍和镍基合金、钴基合金等)上攻制螺纹。丝锥表面涂覆了TiNC或TiN涂层,以延长刀具寿命。为了提高排屑和润滑性能,JIS丝锥采用了内冷却设计,在整个丝锥上或排屑槽中设置了冷却液出口。

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