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      汽車發動機孔加工的創新
      2012-11-5  來源:  作者:伊斯卡刀具 奧利戈?埃里則

            今天,全球汽車制造商都在力爭生產更經濟和更節能的汽車,他們也擁有很多削減成本的方式,以實現這一目標。針對乘坐室,可選用新型材料;針對底盤,可以制造通用型、模塊化的"平臺"以及更多的標準零件;對于附件和電子器件,可以研發更加精密的組件。對于2011年5000萬輛的乘用車制造計劃來說,如果每個部件能節省一分錢,那么整個汽車行業將能削減8位數的成本。

       

            據美國底特律的IRNInc.公司介紹,發動機的生產占乘用車總生產成本的17%,然而卻并不適用任何以上的成本削減方式。而汽油發動機生產,相比之下,是汽車生產環節中最復雜、最嚴謹且所耗成本最高的部件。發動機一般為企業自主生產件,設計方面的改進有局限性。在實際使用中高溫、高壓的環境,也限制發動機只能選擇金屬材料。而即便使用最先進的生產技術,由于發動機自身對公差的嚴格要求,無論如何,都無法避免金屬加工環節包括對鑄鐵的加工。例如,加工圓柱孔,在實現高金屬去除率的同時,必須保證尺寸公差帶控制在0.01mm內,無論圓度和圓柱度相對值還是絕對值在精加工時,形位公差應達到0.001mm。

       

            基于上述原因,在發動機復雜的制造工藝中,發動機缸孔的加工成為打破高成本的瓶頸,而如何降低其加工費用也成為各家努力的方向。此加工通常包括三個步驟:粗加工、半精加工和精加工。

       

            打破此加工瓶頸,對縮減生產成本效果顯著??s短了一個孔的加工周期,意味著剩余的3、5或7個孔的加工周期的縮減(孔的數量取決于發動機型號)。也因此,伊斯卡針對缸孔加工研發了專業刀具,以兩個工步替代了原來的三個工步,集成粗加工及半精加工銑刀于一體的新型刀具。

       

            1.二合一刀具縮短35%的加工周期

       

            最近,伊斯卡協助德國一家大型汽車發動機生產工廠對缸孔加工進行了工藝改進,結果實現了伊斯卡的承諾,并使得此工步降低成本成為可能。采用伊斯卡特制刀具,加工周期縮短了44%?,F在,帶4個缸孔的發動機,每缸孔粗加工復合半精加工僅需9.2s,在相同切削條件下之前則需要16.6s。采用的刀具數量也下降了。曾經需要各自刀具的工步,如今用一把刀具可以同時加工。

       

            雖然多功能刀具也不時出現在批量生產里,但將其運用于加工缸孔等高公差要求的生產中,卻并不多見。原因就在于,只有刀具自身的每個部件都能完美運轉且保持刀尖的鋒利,此類多功能刀具的優勢才能得以體現。

       

            2.鏜削還是插銑

       

            刀具的第一步應用,是加工GG25灰鑄鐵套筒,其將壓入鑄鋁發動機缸體。該工步需要將深度為138mm的孔從74.50mm擴寬到76.10mm。盡管該工步名為"鏜缸孔",但加工過程卻更接近于垂直方向的鏜銑。刀具直徑依據缸孔最終直徑制作,沿Z軸進刀的方式確保了加工孔的高同軸度,如圖1所示。

       

      1

       

            在新款刀具之前,粗加工及半精加工由各自的專用刀具加工完成。粗加工及半精加工工序均由夾持帶5刃的CBN刀片至固定刀槽的銑刀完成。除加工周期長達16.6s外,兩工步的刀具在清除切屑的問題上也表現得不甚理想,而對切屑的再次切削,不利于精加工且磨損切削刃。

       

            汽車制造商希望伊斯卡能提供性價比更佳的替代方案。他們的目標是在原有工藝基礎上,尋求更可靠的加工方式,力爭縮短加工周期,并保證工件表面質量

       

            3.配對的立裝刀片

       

            伊斯卡的解決方案是在同一刀體上采用兩種裝夾方式,夾持帶涂層硬質合金刀片,一種刀座形式用于粗加工,另一種刀座形式用于半精加工(見圖2)。四片粗加工刀片平行于刀具頂面夾持于固定刀槽中。三片半精加工刀片垂直夾持于可調節式刀座,分布于銑刀圓周。粗加工刀片組約擴孔徑1.00mm,半精加工刀片組擴孔徑0.6mm。切削液經由內冷卻噴孔直達每刀片切削刃處,以確保有效排屑。為消減振顫,半精加工刀片組以非對稱的方式分布于圓周。

       

      2

       

            立裝刀片時刀片與節圓呈切向排列而非垂直于節圓呈放射狀安裝。其原理是令主切削力指向最厚實的刀片截面從而提高每刃承載能力。切削負載直指刀體,在有效減振的同時獲取更長的刀具壽命。此外,刀片立裝夾持,螺釘免于承受拉應力,確保切削加工更可靠。

       

            4.更新切削參數

       

            分析機床設置,探尋加工周期縮短因素。轉速并未更改,仍為1500r/min,切削速度vc=360 m/min,刀片每刃移除材料0.50mm。不同點在于,進給量從0.07mm/z提高到了0.10mm/z,進而顯著提升工作臺進給及進給率。效率的提升,憑借的是采用強固的立裝刀具設計并使用束魔技術CVD刀片。伊斯卡束魔涂層刀片問世已有三年,涂層后處理使得刀片表面光滑,加工過程中摩擦力小,最終使得刀片性能高出35%。  

       

            在更新刀具的早期,伊斯卡的工程師注意到用戶現有機床主軸功率在刀具改進后有效降低。這開啟了快速切削之門,即便切削力增大,也不會令機床驟停。在更高的切削速率下,主軸功率也并未超出7.66kW。

       

            5.CAD軟件支持   

       

            伊斯卡采用了先進的三維軟件以求更好地開發新型的、用戶樂于使用的刀具。刀體嚴格遵守ISO9001質量保證體系標準,于5軸加工中心上制成。伊斯卡在工業領域55年的經驗及在研發上的大手筆投入,共同成就了刀具的非凡效果。無論是對大型還是小型客戶,伊斯卡全球技術及物流支持網絡,都為保證交貨期提供了堅實的后盾。

       

            與汽車企業共同探索多年,伊斯卡的現場服務工程師有效優化了刀具的切削參數和加工工步,保障了刀具在使用中的高剛性和高可靠性。   

       

            6.工藝穩定,節約成本

       

            在幾個月的新工藝試用中,伊斯卡不僅將加工周期縮短至9.2s,還成功地降低了刀片消耗。意料       之外的節省,除了因為涂層硬質合金刀片較CBN刀片更加經濟,還由于刀片立裝夾持,使每個刀片切削刃更多,共同有效延長了刀具壽命。

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