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    用自旋转刀具高速加工CGI铸铁

    放大字体  缩小字体 发布日期:2022-09-13 21:56:58    来源:本站    作者:标准件之家    浏览次数:589
    导读

    在欧洲,由于汽油价格昂贵,尾气排放标准严格,汽车制造商对采用紧密石墨铸铁(Compacted Graphite Iron,CGI)代替普通灰铸铁制造汽车发动机的缸体和缸盖具有浓厚兴趣。采用CGI材料可制造薄壁结构的发动机壳体和汽缸体

    在欧洲,由于汽油价格高,尾气排放标准严格,汽车制造商有兴趣使用蠕墨铸铁(CGI)代替普通灰铸铁来制造汽车发动机的缸体和缸盖。CGI材料可用于制造薄壁发动机机匣和缸体,其缸壁能承受活塞工作时产生的巨大压力而不膨胀变形。这种结构的汽车发动机具有重量轻、马力大、燃油效率高、废气排放少等优点。荷兰卡车制造商DAF卡车公司生产的由CGI铸铁制成的新型6缸12.6升发动机功率为530马力,比由灰铸铁制成的同类发动机高出50马力。在北美,CGI铸铁制造的发动机可以满足2005年的尾气排放标准。由于CGI气缸壁具有优异的抗膨胀变形能力,大大减少了发动机在运转过程中的“泄漏”现象,可以防止不完全燃烧废气通过活塞环泄漏。汽车制造商奥迪的柔性制造部门每年处理10,000个CGI V8发动机外壳,但由于常规切割工具,切割工具的成本仍然很高。由于这些发动机主要用于高端汽车(在美国售价8万美元),较高的刀具成本是可以接受的。但是公司很快就要达到年产20万台CGI V6发动机壳体的生产能力(针对其他类型的汽车),所以高速加工CGI的生产效率和加工成本非常重要。CGI铸铁的韧性和加工性能介于灰铸铁和可锻铸铁之间,其疲劳强度是灰铸铁的1.8倍,抗拉强度和弹性模量分别是灰铸铁的1.8倍和1.4倍。CGI铸铁的显微组织为蠕虫状或珊瑚状,其切削载荷比片状石墨结构的灰铸铁高20% ~ 30%。CGI铸铁虽然可以用常规刀具镗铣,但只能用低转速、低AG切削,刀具寿命很短,对于小批量、一次性生产(如NASCAR赛车发动机加工)是可行的,但显然难以满足大批量发动机高效制造的加工要求。几年前在,很多机械制造专家都认为高速切削CGI铸铁很难。自旋刀具的应用为CGI铸铁的高速加工提供了一条有效的途径。自转铣削的概念最早是由美国飞机制造巨头洛克希德公司在20世纪70年代提出的。Rotary Technologies完善了这项技术,UNOVAs Lamb Technicon将其应用于CGI铸铁的钻孔。自转刀具是一种具有双负切削角的圆形旋转刀具,能有效地减少加工中的摩擦和热量。它的应用为未来几年汽车发动机设计的改进开辟了新的途径。自转镗刀设置有多个旋转刀夹,每个刀夹设置有直径约27 mm的圆形刀片。每个镗刀上的刀夹/刀片的数量取决于镗刀的直径。比如直径76.2mm的镗刀通常有4个刀片,直径305mm的铣刀可以有16个刀片。自转刀片一般由氮化硅陶瓷制成,高速加工CGI铸铁时也可使用硬质合金刀片。当Si3N4陶瓷刀片的倒角宽度为0.254mm,倒角角度为10时,切削效果最好。直到最近,自转切割器才引起人们的注意。以往自转铣刀的刀架轴承和油脂的设计,使得刀具系统在加工过程中容易过热。近年来,这些问题逐渐得到解决。在20世纪90年代,机床制造商向一家欧洲汽车零部件制造商提供了三台数控加工中心,用于加工CGI铸铁零件,而不是灰铸铁零件。当工厂使用常规刀具根据进给速度、切削速度等参数编程加工灰铸铁时,刀具很快就会损坏失效。为了满足生产需要,Lamb公司不得不花费80万美元为制造商免费提供第四台数控加工中心。这促使兰姆公司对CGI铸铁加工技术和刀具进行深入研究。

    很快,Lamb公司确认了CGI在自转刀具高速加工中的适用性,并不断推出新的刀具刀片形状,解决刀片周围的散热问题。的研究结果表明,当使用常规刀具进行加工时,刀具与CGI工件表面的接触部分和沿刀具前刀面的切屑间的摩擦部分磨损严重,其温度分别比剪切表面温度高480和150。高温迅速软化有涂层或无涂层的传统工具的表面,导致工具的早期失效。而使用自转刀具进行加工时,自转刀具可以将切屑推出切削区域,避免了刀具与切屑剧烈摩擦产生的大量切削热。虽然刀具和切屑之间还需要一定的摩擦力来推动刀具旋转,但是这种摩擦力和热量与常规刀具相比几乎可以忽略不计。德国汽车制造商奥迪集团使用常规刀具加工CGI铸铁发动机机匣时(切削速度800m/min,切削深度1.5mm,每齿进给量0.2mm),刀具很快失效;而用自转刀具进行相同切削量的加工,切削15min后,刀片切削刃的最大磨损仅为0.15mm。位于美国密歇根州特伦顿的戴姆勒克莱斯勒公司的发动机工厂虽然不生产CGI铸铁发动机壳体,但利用自转工具加工灰铸铁发动机壳体,取得了非常好的效果。在年产50万个发动机壳体(克莱斯勒小型货车用)的生产线上,工厂用自转铣刀干磨发动机壳体的顶面和底面(目前正在检测发动机壳体的正面和背面),切削速度约为625m/min,进给速度为3073mm/min。由于使用了旋转刀具,更换刀具的次数与以前有所不同。

    每年697次减少到46次。使用该刀具的唯一不便之处是需要在原有调刀站内对自旋转刀具的刀片直径进行专门调刀。此外,许多原有加工设备的结构设计与自旋转刀具的使用也不完全匹配,为此需要对原有生产线进行修改和调整,虽然这要耗费一定的时间和资金,加上自旋转刀具本身成本也不低(刀片40美元,刀夹225美元),但与使用自旋转刀具可获得的效益相比,这一切都是值得的。现在每把刀具的加工寿命已由原来的500件左右提高到5000~7000件。    戴姆勒-克莱斯勒发动机厂从2000年初开始使用自旋转刀具,在此之前,该厂已对这种刀具进行了几年的试验与评估。多年来,自旋转刀具的刀夹轴承发热及润滑问题一直困扰着技术人员。随着新的刀夹轴承材料及润滑脂的出现,加工灰铸铁时的刀夹发热问题得到了较好解决,但在加工CGI铸铁时仍存在少量的刀夹发热现象,采用逆铣法则可较好解决这一问题。逆铣加工时,刀具以较小的切入角(如15°)进入切削,切削过程中,切屑厚度由零逐渐增至最大,这与加工发动机壳体通常采用的顺铣法正好相反,顺铣的切入角较大(如90°),切入时的切深最大,切削过程中切屑厚度逐渐减小直至为零。对于常规刀具而言,逆铣法对刀具寿命不利,由于刀具向前移动和旋转,刀片底部始终与工件发生摩擦,易造成发热和磨损。但是,逆铣对于自旋转刀具加工则比较有利,因为它可以延长刀夹轴承的寿命,此外,逆铣对于加工发动机壳体的复杂型面(包括薄壁截面)也很有好处,有助于减轻对工件的冲击振动,从而获得较好的加工表面粗糙度。较小的切入角也十分重要,因为自旋转刀具最常用的Si3N4陶瓷刀片在切削冲击作用下比硬质合金刀片更易发生破损。    目前,Lamb公司的技术人员正致力于减小自旋转刀具的刀夹尺寸,现已初步设计出一种将直径减小到约15.24mm的新型刀夹,这种小尺寸刀夹可允许在同一刀体上布置更多刀片。按原来的自旋转镗刀及其刀夹设计,可加工的最小孔径为76.3mm,很难用于镗削汽缸孔以外的其它加工场合,刀夹尺寸减小后,即可实现对更小孔径的切削加工。对于自旋转铣刀,新设计的刀夹尺寸仅为原刀夹的一半左右,因此可在相同直径的刀体上增加刀片数量,从而增大切削工件的进给率。这种新型刀夹的开发可大大拓宽自旋转刀具的应用范围。在航空航天业,需要加工大量钛合金零件,且较多采用端铣方式,通过开发小直径刀夹,可设计出小到38mm的小直径自旋转端铣刀。通过进一步开发具有正前角或正/负前角的自旋转刀具,还可将自旋转刀具的应用范围扩展到钢件和铝合金工件的高速加工。    许多人认为自旋转刀具的使用、维护和保养费时费力,但事实并非如此。除清洁刀夹外并不需要做大量维护保养工作,在更换刀片和清洁刀夹后只需通过刀具背后的小孔加入润滑脂即可。对一把直径254mm的13齿自旋转铣刀进行换刀安装耗时不到半小时。    Lamb公司表示将进一步改进自旋转刀具系统的结构设计,例如新的结构将无需再对刀夹轴承加注润滑脂。此外,公司将对高速铣削CGI铸铁时刀片受热冲击作用产生的微裂纹进行深入研究。当铣刀片在常温下切入工件材料时,其温度急升至约480℃,然后在空气和切削液作用下迅速冷却,此时刀片极易产生热裂纹。虽然刀片制造商开发了耐热性能好的硬质合金和Si3N4陶瓷刀片,但用自旋转刀片高速切削韧性较好的CGI铸铁时,仍可能产生热裂纹。    目前,Rotary Technologies公司拥有用自旋转刀具加工非CGI材料(包括加工发动机壳体)的技术专利;而Lamb公司在Rotary Technologies公司协助下正致力于自旋转刀夹系统的应用,并在全球唯一拥有应用自旋转刀具铣削和镗削CGI铸铁材料的技术专利,因此,此项加工技术目前仅在Lamb公司制造的机床上应用。
     
    (文/标准件之家)
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