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[发动机] 发动机缸孔加工的突破

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发表于 2016-3-6 20:08:16 | 显示全部楼层 |阅读模式

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发动机缸孔加工的突破

发动机缸孔加工的突破

        在复杂的发动机制造工艺中,发动机缸孔的加工成为打破高成本的瓶颈。汽车制造商希望刀具供应商能够提供性价比更佳的替代方案。他们的目标是在原有工艺基础上,寻求更可靠的加工方式,力争缩短加工周期,并保证工件表面质量。
        今天,全球汽车制造商都在力争生产更经济、节能的汽车。他们拥有很多削减成本的方法,如:针对驾驶室,可选用新型材料;针对底盘,可以制造通用型、模块化的“平台”以及更多的标准零件;对于附件和电子器件,可以研发更加精密的组件。对于5000万辆乘用车的生产计划来说,如果每个部件都能节省一分钱,那么整个汽车行业将能削减上千万的制造成本。
        然而,上述这些成本削减方式却不能适用于占乘用车总制造成本17%的发动机生产。汽油发动机的生产是汽车生产环节中最复杂、最严谨且所耗成本最高的部件,高温、高压的使用环境限制其只能选用金属材料。因此,即便使用最先进的生产技术,由于发动机自身对公差的严格要求,无论如何都无法回避金属加工这一环节。
        在复杂的发动机制造工艺中,发动机缸孔的加工成为打破高成本的瓶颈,而如何降低其加工费用也成为各汽车生产企业努力的方向。发动机缸孔的加工通常包括三个步骤:粗加工、半精加工和精加工。打破此加工瓶颈,对缩减生产成本效果显著。缩短一个孔的加工周期,也就意味着剩余孔加工周期的缩减。
        伊斯卡协助德国某大型汽车发动机厂对缸孔加工进行工艺改进,采用复合刀具实现了此工步加工成本的降低。伊斯卡针对缸孔加工研发的集成粗加工及半精加工铣刀于一体的新型复合刀具,以2个工步替代了原来的3个工步。使用该特制刀具加工带4个缸孔的发动机,在相同切削条件下,每个缸孔的粗加工复合半精加工时间从之前的16.6s降到9.2s,将加工周期缩短了44%。同时,采用的刀具数量也下降了,曾经需要多种刀具的工步如今用一把刀具即可完成。
       

发动机缸孔加工的突破

发动机缸孔加工的突破

        刀具应用的第一步是加工被压入铸铝发动机缸体的GG25灰铸铁套筒。该工步需要将深度为138mm的孔从74.50mm扩宽到76.10mm。尽管该工步名为“镗缸孔”,但实际加工过程却更接近于垂直方向的镗铣;刀具直径依据缸孔最终直径制作,沿Z轴进刀的方式确保了加工孔的高同轴度。传统加工方式是,粗加工及半精加工均由夹持带5刃的CBN刀片至固定刀槽的铣刀完成。除加工周期长达16.6s外,两工步的刀具在清除切屑的问题上也表现得不甚理想,特别是对切屑的再次切削,不利于精加工,且磨损切削刃。
        伊斯卡的解决方案是在同一刀体上采用两种装夹方式,夹持带涂层的硬质合金刀片,一种刀座形式用于粗加工,另一种刀座形式用于半精加工。4片粗加工刀片平行于刀具顶面夹持于固定刀槽中;3片半精加工刀片垂直夹持于可调节式刀座中,分布于铣刀圆周。粗加工刀片组约扩孔径1.00mm,半精加工刀片组扩孔径0.6mm。切削液经由内冷却喷孔直达每刀片切削刃处,以确保有效排屑。为消减振动,半精加工刀片组以非对称的方式分布于圆周。立装刀片与节圆呈切向排列而非垂直于节圆呈放射状安装。其原理是令主切削力指向最厚实的刀片截面从而提高每刃的承载能力。切削负载直指刀体,在有效减振的同时可获取更长的刀具寿命。此外,刀片立装夹持,螺钉免于承受拉应力,确保切削加工更可靠。
        采用相同的加工条件,即:机床转速 1500r/min,切削速度Vc=360m/min,刀片每刃移除材料0.50mm。不同点在于,将进给量从0.07mm/z提高到了0.10mm/z,进而显著提升了工作台进给速度及进给率。而效率的提升,凭借的正是伊斯卡的新型刀具和束魔涂层CVD刀片。伊斯卡的束魔涂层刀片问世已3年,涂层处理的刀片表面光滑,加工过程中摩擦力小,从而将刀片的性能提高了35%。在刀具更新初期,伊斯卡的工程师注意到用户现有的机床主轴功率在刀具改进后得到了有效降低,切削力增大也不会令机床骤停,即使在更高的切削速率下,主轴功率也并未超出 7.66 kW。
        虽然,复合刀具也不时出现在批量生产中,但将其成功应用于加工缸孔等高公差要求的生产中却并不多见。这是因为,只有刀具自身的每个部件都能完美运转,且保持刀尖的锋利,此类多功能刀具的优势才能得以体现。伊斯卡在工业领域55年的经验及在研发上的大手笔投入,共同成就了刀具的非凡效果。与汽车生产企业共同探索多年,让伊斯卡的现场服务工程师能够有效优化刀具的切削参数和加工工步,确保刀具在使用中的高刚性和高可靠性。在几个月的新工艺试用中,伊斯卡不仅将每个缸孔的加工周期缩短至9.2s,还成功地降低了刀片消耗。意料之外的节省,除了因为涂层硬质合金刀片较CBN刀片更加经济,还得益于刀具的独特设计——刀片立装夹持增加了刀片的切削刃,有效延长了刀具寿命。
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