超硬刀具在鋁合金活塞加工中的應用與發展*

張寶國

(濱州學院黃河三角洲高效生態經濟發展研究院自動控制研究中心，山東濱州 256603)

超硬刀具主要包括金剛石刀具和立方氮化硼刀具，其中以人造金剛石復合片(PCD)刀具及立方氮化硼復合片(PCBN)刀具占主導地位。隨著材料工業及精密機械工業的發展，尤其隨著現代制造業(尤其是汽車制造業)的快速發展，精密切削、超精密切削和難切削材料使用的增多，超硬刀具的需求量逐年快速增長，應用日益廣泛。

超硬材料刀具具有加工工效高、使用壽命長和加工質量好等特點。過去主要用于精加工，近幾年來由于改進了人造超硬刀具材料的生產工藝，控制了原料純度和晶粒尺寸，采用了復合材料和熱壓工藝等，應用范圍不斷擴大，除適于一般的精加工和半精加工外，還可用于粗加工。利用超硬材料加工鋼、鑄鐵、有色金屬及其合金等工件，其切削速度可比硬質合金高一個數量級，刀具壽命可比硬質合金高幾十、甚至幾百倍。同時他的出現，還使傳統的工藝概念發生變化，利用超硬刀具常常可直接以車、銑代磨(或拋光)，對淬硬工件加工，可用單一工序代替多道工序，大大縮短工藝流程。

1 鋁合金活塞的加工工藝特點

活塞(圖1)是發動機的“心臟”，承受交變的機械負荷和熱負荷，是發動機中工作條件最惡劣的關鍵零部件之一。活塞的功用是承受氣體壓力，并通過活塞銷傳給連桿驅使曲軸旋轉、輸出動力。

目前在我國活塞制造行業中，活塞的機加工工藝大多數以止口作為多道工序的定位基準而進行的，其工藝流程基本如下:粗車止口→粗車外圓、頂面→精車止口→粗鏜銷孔→精車環槽→半精車外圓→精鏜銷孔→車擋圈槽→車內角→粗精車燃燒室→精車外圓。在以上工序中，精車環槽、精鏜銷孔、精車外圓是重點工序，是質量嚴控點，在加工過程中對機床、刀具的要求比較高，由于加工設備短時間不能改變，只能通過改變刀具的材料與性能來提高切削質量和加工效率。

2 超硬刀具在活塞加工中應用與發展

超硬材料刀具雖然經歷了30多年的發展，但在活塞加工行業的應用才是近十多年的事情。山東濱州渤海活塞股份有限公司是國內唯一一家以內燃機活塞作為主導產品的上市公司。超硬材料刀具在該公司的應用情況基本就是超硬材料刀具在中國活塞加工行業應用情況的縮影。筆者曾在該企業工作多年，并主持參與了超硬材料刀具在活塞加工中的實驗、推廣等一系列工作，為超硬材料刀具在我國活塞加工行業的推廣應用，摸索積累了一些有益的經驗和作法。

2.1 PCD超硬刀具在活塞加工中應用與發展

PCD是指將金剛石微粉(粒度為微米級)與少量的金屬粉末(如Co等)混合后在高溫(1 400℃)高壓(幾個GPa)下燒結而成的聚晶體。市場上作為商品供應的PCD復合片是由0.5～0.7 mm厚的聚晶金剛石層在高溫高壓下使其牢固地和硬質合金襯底結合的一種超硬復合材料，它既具備PCD的高硬度、高耐磨性，又兼有硬質合金的良好強度和韌性。具有以下特性:(1)極高的硬度和耐磨性。聚晶金剛石的硬度比硬質合金高3～4倍，接近天然金剛石;耐磨性高100多倍。(2)小摩擦系數和高彈性模量。小的摩擦系數可以減小切削力，降低切削溫度;PCD的彈性模量比硬質合金高得多，故其切削刃在切削過程中不易產生變形，能在很大程度上保持刀刃的原始幾何參數，長期保持刃口鋒利。(3)良好的導熱性和小熱膨脹系數。高的導熱系數和熱擴散率使PCD刀具在切削中切削熱容易散失掉，這樣切削區溫度會較低，刀具使用壽命長;小的熱膨脹系數使刀具在切削過程中不易產生很大的變形。(4)刃口鋒利且刃面粗糙度值小。PCD刀具刃口非常鋒利，一般刃口鋸齒峰值小于5 μm，刃口鈍圓半徑小于4 μm;PCD刀具前刀面粗糙度值可達0.01 μm，是鏡面，這樣可以使切屑沿前刀面容易流出，減少積屑瘤的產生。

PCD的優良特點使PCD刀具廣泛應用于加工鋁合金，尤其是高硅鋁合金。高硅鋁合金的硬度和耐磨性比其他鋁合金高，切削時刀具交替切削軟的鋁基和硬度高的硅顆粒，采用普通硬質合金刀具很容易磨損。同時刀具也很容易產生積屑瘤，因而會使加工精度和表面粗糙度惡化。為了避免產生積屑瘤和加工硬化，刀刃必須鋒利，刀面必須光滑，PCD刀具正好符合這些要求。

基于以上理論基礎，我們著手準備實驗PCD刀具在活塞加工中的應用。精車環槽工序是活塞加工中的關鍵工序。活塞的環槽是與活塞環配合來密封發動機的燃燒室，如果環槽的加工質量達不到要求，就會導致密封性不好，將影響發動機的輸出功率。因此環槽的加工質量要求很高，尤其是活塞環槽的寬度。為了保證加工質量，由于刀具材料(硬質合金刀具)的原因，該工序的加工節拍時間較長，此工序成了活塞加工中的瓶頸工序。因此我們決定在此工序上進行PCD刀具的切削試驗。

PCD復合片的質量十分關鍵，由于當時國產PCD刀片質量很不穩定，我們選用了美國通用電氣公司(GE公司)生產的PCD復合片。圖2所示是我們設計的精車環槽刀具。

我們設計的PCD槽刀由威海的一家刀具廠加工，檢驗合格后進行切削試驗。

設備:LBHC－50數控車床、轉速:900 m/min、進給:0.1 mm/r、冷卻液:水基乳化液、活塞(直徑 φ100 mm)材料:含硅約12%的共晶鋁硅合金。

試驗記錄:開始加工，刀具切削狀況良好，加工到100只時，環槽側面粗糙度Ra0.31 μm，環槽寬度尺寸穩定。加工到300只時，環槽側面粗糙度Ra0.29 μm，環槽寬度尺寸沒有變化。加工到500只時，環槽側面粗糙度Ra0.32 μm，環槽寬度尺寸沒有變化。加工到1 000只時，發現槽側面有輕微的振紋，刀具有打嘟嚕(顫振)現象，但粗糙度和槽寬基本沒有變化;我們把刀具伸出長度變短后，打嘟嚕現象消失。我們分析原因:槽刀的寬度只有2.5 mm，剛性較差。一直加工到10 000只，加工表面粗糙度不僅滿足工藝要求的Ra0.4 μm，而且Ra的值能穩定地達到0.4 μm 以下，環槽寬度穩定，誤差小于要求的0.02 mm。直至加工到了13 000只左右時，槽側粗糙度才開始大于0.4 μm，我們停止加工。

結論:與硬質合金刀具相比，采用PCD槽刀加工活塞環槽時的加工工件數提高了20倍左右，不僅大大提高了加工效率和加工質量，而且還顯著降低了加工成本。

以后我們又在活塞加工的其他工序如:精鏜銷孔、精車外圓工序上試驗PCD刀具的應用，都取得了比較好的結果，大大提高了產品加工效率和加工質量。在長期的生產加工中，我們又優化了刀具幾何角度、切削參數，使得PCD刀具加工工件的件數比剛開始應用時又提高了很多，能達到20 000件。近幾年隨著國產PCD刀具材料復合片質量的提高，如果采用國產產品，產品中的刀具成本更為降低。

2.2 PCBN超硬刀具在活塞加工中應用與發展

立方氮化硼(CBN)是為適應一些難加工材料的加工和精密加工的需要，在20世紀70年代迅速發展起來的超硬材料。CBN刀具在加工淬硬鋼、冷硬鑄鐵等難加工材料和精密加工中，已取得顯著的技術和經濟效果，成為以車代磨、以銑代磨的最佳刀具之一。CBN刀具作為新型的超硬刀具已在加工行業廣泛應用，但在活塞加工行業應用還不太普遍，有待我們摸索、推廣。

立方氮化硼刀具的主要性能特點:(1)高的硬度與耐磨性。具有與金剛石相近的硬度。(2)很高的熱穩定性。CBN的耐熱性可達1 400～1 500℃，比金剛石的耐熱性(700～800℃)幾乎高1倍。(3)優良的化學穩定性。與鐵系材料到1 200～1 300℃時也不起化學作用，與碳只是在2 000℃是才起反應。(4)具有較好的熱導性。CBN熱導性雖然趕不上金剛石，但是在各類刀具材料中PCBN的熱導性僅次于金剛石，大大高于高速鋼和硬質合金。(5)具有較小的摩擦系數。小的摩擦系數可使切削時的切削力減小，切削溫度降低，加工表面質量提高。

CBN超硬刀具的特點使CBN刀具非常適合在活塞靠模加工上應用。活塞的外圓仿形加工就是預先設計制造一個與活塞外圓型線相似的立體靠模(圖3)，安裝在車床主軸的連接盤上，在靠模的另一端再安裝需要加工的活塞，通過仿形裝置中的仿形觸點在靠模上接觸移動，實現中凸—變橢圓型面活塞的加工(此加工方法類似我們日常生活中的配鑰匙的加工方法)。仿形加工的關鍵是立體靠模的精度。據統計，活塞外圓仿形加工誤差的一半來自靠模誤差，因此立體靠模的材料、加工精度和加工方法非常重要。靠模材料選用 GCr15軸承鋼，熱處理硬度高達60～64 HRC。加工這樣高硬度的材料，以前我們只能用專用磨床通過磨削加工來完成，效率比較低，對于外圓型線、橢圓復雜的靠模還必須手工打磨才能完成。

PCBN刀具的出現，為我們開辟了一條加工淬硬鋼材料的新工藝。PCBN特別適合于加工以前只能磨削加工的高硬材料，能獲得較好的工件表面質量，實現以車代磨。我們開發設計了加工靠模的PCBN刀具(圖4)，在我們自己研發的專用靠模數控車床上試驗加工靠模。切削參數:切削速度vc=140 m/min，吃刀量ap=0.15 mm，進給速度f=0.1 mm/r，干切削。試驗結果:我們只用了2 h就完成了一個靠模的加工，以前磨削加工相同的靠模需要8 h才能完成，加工表面質量滿足圖紙要求，而且車削能完成各種復雜型面靠模的加工，加工效率大大提高，大大降低了活塞加工成本。

3 超硬刀具在活塞加工推廣應用中存在問題分析

回顧超硬刀具在我國活塞加工業應用發展的歷程，雖然取得了一點成就，但是我國超硬技術發展速度還比較緩慢，超硬刀具還難以大范圍推廣，尤其在一些中小活塞加工企業，推廣應用還有一定的困難，主要原因在于以下幾個方面:

(1)國產PCD、PCBN刀具材料均勻性差、質量不穩定，進口的PCD、PCBN刀具材料價格昂貴。

(2)濱州渤海活塞股份有限公司有進口瑞士Ewag公司的RS－09、RS－15刃磨機床，能刃磨各種材料、形狀的刀具，但是大部分活塞加工企業超硬刀具刃磨裝備技術落后，無先進的刃磨機床，必然影響超硬刀具的應用與推廣。

(3)雖然超硬刀具有極高的硬度，但其韌性不如硬質合金，更遠低于高速鋼，因此超硬刀具的主要失效形式為崩刃。崩刃通常由加工中的振動引起，提高機床本身的剛性有助于減小振動。因此高剛性的數控加工機床是使用超硬刀具的必備條件。但大多數活塞加工企業由于資金困難及其他方面的原因，設備的更新換代比較緩慢，也限制了超硬刀具的的應用與推廣。

4 建議與前景展望

制造業是一個國家國民經濟和科技進步的基礎，反映了一個國家的綜合技術水平。我國作為新崛起的制造大國，其“世界工廠”的地位決定了國家必須發展高速先進的切削工具技術，超硬刀具的推廣和應用是必然經歷的過程。因此，國家應在政策和資金的支持下，鼓勵中小活塞加工企業更新制造裝備，推廣應用超硬刀具。同時，我們也期待國內超硬刀具材料制造企業能抓住國家大發展的這一機遇，加大企業自身的技術開發力度，研發制造出質量更好、成本更低的超硬刀具，促進我國超硬刀具的推廣應用。

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