張世君

山東浩信機(jī)械有限公司工藝研究院 山東濰坊 261307

傳統(tǒng)能源汽車及新能源汽車的零部件加工，是汽車零部件加工的主流，加工技術(shù)含量高、工藝比較復(fù)雜，加工方式主要有銑削、鉆削、鏜削等。為達(dá)到高質(zhì)量的加工水平，要求刀具具備高速、高精度、高效率的特點(diǎn)，刀具的重要性不言而喻。

汽車零部件產(chǎn)品介紹

汽車按照用途分為商用車、乘用車兩大類別。

根據(jù)汽車功能不同劃分為八部分：底盤部分、動(dòng)力部分、車體部分、制動(dòng)部分、懸掛部分、傳動(dòng)部分、電器設(shè)備、車載內(nèi)飾及座椅。

刀具選用細(xì)節(jié)如下：

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件材質(zhì)及刀具材質(zhì)選取見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)零部件材質(zhì)與刀具材質(zhì)選取對(duì)應(yīng)

（續(xù)）

汽車底盤零部件材質(zhì)及刀具選取對(duì)應(yīng)，見表2。

表2 底盤零部件材質(zhì)對(duì)應(yīng)刀具選取

新能源鋁基汽車零部件及刀具選取對(duì)應(yīng)，見表3。

表3 新能源汽車零部件材質(zhì)對(duì)應(yīng)刀具選取

（續(xù)）

汽車零部件根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)辯證選取刀具技術(shù)

汽車零部件材料組切削性能介紹及整合汽車零部件材料組切削性能，見表4。

表4 汽車零部件材料組切削性能

汽車零部件材質(zhì)不一，根據(jù)材質(zhì)的切削性能科學(xué)選取的刀具材質(zhì)，是刀具材質(zhì)選取的關(guān)鍵；見表5。

表5 汽車零部件對(duì)應(yīng)刀片的選取考量因素

鏜銑加工工中心刀具選取技術(shù)

1.快進(jìn)給刀具的使用

山特、伊斯卡、肯納、泰珂洛、京瓷等相繼研制出高進(jìn)給刀具，大進(jìn)給銑削加工方式實(shí)現(xiàn)了極高的金屬去除率，盡管其切深很小。由于一次加工就能使工件材料接近我們想要的形狀，半精加工通常會(huì)被取消，同時(shí)簡(jiǎn)化了精加工工序；大進(jìn)給銑削的原理是基于“平均切屑厚度減薄”的效果。切屑厚度減薄取決于銑刀盤的主偏角，帶有 90°主偏角的刀盤不利于切屑厚度減薄，每齒進(jìn)給是 0.2mm 只能獲得相同的切屑厚度 0.2mm。在刀具帶有 45°主偏角的情況 下，每齒進(jìn)給 0.25mm 會(huì)產(chǎn)生 0.178mm 的切屑厚度，這樣就可以增加進(jìn)給，從而減少循環(huán)時(shí)間?？梢栽诿魁X進(jìn)給 1.27mm 的條件下產(chǎn)生僅 0.178mm 的切屑厚度，并且循環(huán)時(shí)間一般會(huì)減少 50% 或者更多。大進(jìn)給銑削的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是低切削抗力。大進(jìn)給銑刀切削力幾乎是平行的，其極小的主偏角切削力會(huì)朝向主軸，這意味著主軸上的壓力減小。泰珂洛圖樣如圖1和圖2所示。

圖1 快進(jìn)給刀具加工參數(shù)前后對(duì)比

圖2 快進(jìn)給刀具加工場(chǎng)合

2.復(fù)合刀具（非標(biāo)刀具）是使用及成本控制

當(dāng)產(chǎn)品訂單屬于大批量時(shí)，需要對(duì)成本及刀具費(fèi)用進(jìn)行核算，先對(duì)復(fù)合非標(biāo)刀具進(jìn)行詢價(jià)，再對(duì)提升的成本進(jìn)行核算，整體成本可以在一定幅度范圍內(nèi)降低時(shí)（建議10%～20%），就可以導(dǎo)入先進(jìn)的復(fù)合非標(biāo)刀具，通過(guò)復(fù)合鉆，復(fù)合鉆攻，復(fù)合鉆銑，復(fù)合鏜孔等刀具到引入提質(zhì)增效降本；

生產(chǎn)流水線分析瓶頸工序，分析節(jié)拍，優(yōu)化瓶頸工序的刀具勢(shì)在必然，降低了節(jié)拍，提升到效率是整條生產(chǎn)線到效率，起到了支點(diǎn)作用，撬桿作用凸顯。山特集團(tuán)圖冊(cè)如圖3和圖4所示。

圖3 部分復(fù)合刀具圖冊(cè)

圖4 復(fù)合刀具圖冊(cè)

3.快速加工復(fù)合套銑刀

外圓內(nèi)孔一起加工到刀具，對(duì)于大批量產(chǎn)品提效立竿見影；為我們到高速加工提供了思路；為刀具設(shè)計(jì)提供了高效加工到思路。山特維克圖冊(cè)如圖5和圖6所示。

圖5 套銑套鏜復(fù)合刀具圖冊(cè)

圖6 復(fù)合內(nèi)外圓鏜刀

4.旋風(fēng)套扣刀具

銑外螺紋，效率相對(duì)外圓銑螺紋提升200%～400%。山特集團(tuán)圖冊(cè)如圖7所示。

圖7 硬質(zhì)合金旋風(fēng)銑刀

5.可換頭刀具

在汽車零部件加工生產(chǎn)線加工過(guò)程中，對(duì)于損壞或刃磨損到刀具需要更換，基本做法是拆下刀柄，更換刀具、刀片。再進(jìn)行上主軸對(duì)刀，重新在數(shù)控系統(tǒng)里設(shè)置補(bǔ)償；而各刀具廠針對(duì)此劣勢(shì)，相繼推出了可換頭刀具，包括整硬銑刀、鉆頭、鉸刀等孔加工刀具，更換刀頭時(shí)不用對(duì)刀，大大降低了輔助時(shí)間，提升了加工到OEE,全部更換可更換刀具的生產(chǎn)線，OEE提升2%～5%，特別是那些更換頻率很高到的刀具，提效非常明顯；如圖8所示。

圖8 可換頭刀具及效率對(duì)比

6.多刃銑刀

擺線銑是最近CAM軟件推出的先進(jìn)的加工方式，效率可以不同程度到提升100%～400%。擺線多刃銑刀成為主要刀具。整體硬質(zhì)合金立銑刀(SCEM)的直徑范圍是2～25mm。最多7-8刃，效率大大提升了開粗及精加工到效率，在擺線過(guò)程中可以較好排屑，保證刀具熱量到散失，提升了刀具效率，提升了刀具壽命，降低刀具成本。伊斯卡圖冊(cè)如圖9所示。

圖9 擺線多刃銑刀

7.復(fù)合鉆攻、復(fù)合鉆銑螺紋刀具

（1）鉆孔后直接攻絲刀具省去換刀輔助時(shí)間，提效明顯；如圖10所示。

圖10 復(fù)合鉆攻刀具（通孔使用）

降低換刀準(zhǔn)備時(shí)間，應(yīng)用刀通孔加工（有色金屬）。

（2）鉆孔后直接螺紋銑省去換刀輔助時(shí)間，提效明顯。OSG圖冊(cè)如圖11、圖12和圖13所示。

圖11 鉆銑螺紋復(fù)合刀具

圖12 復(fù)合鉆銑螺紋刀具圖示

圖13 復(fù)合鉆銑螺紋刀具提效說(shuō)明書

8.三面刃銑刀疊加復(fù)合

加工兩邊側(cè)面，鋁組件可減輕質(zhì)量達(dá)50%。特別是在底盤內(nèi)，可顯著降低未裝彈簧的總成質(zhì)量。這無(wú)論對(duì)行駛舒適性還是對(duì)行駛動(dòng)態(tài)性都有積極影響。尤其是與安全相關(guān)、允許高變形的抗拉強(qiáng)度和韌性高的鍛造部件，很難進(jìn)行切削加工。通過(guò)三面刃銑刀疊加使用一個(gè)行程兩側(cè)一起銑削。

兩面銑削既可以提效，兩面對(duì)稱也可以消除振動(dòng)。瓦爾特圖樣如圖14所示。

圖14 三面刃銑刀疊加復(fù)合

兩個(gè)三面刃銑刀盤使用法蘭間隔疊加銑削兩邊。

9.多刃鏜刀

缸體缸孔加工，多家推出了高效粗鏜刀具；具有多刃鏜刀，較前兩刃方案提升效率非常顯著，200%～300%左右，壓縮整個(gè)缸體加工節(jié)拍5%以上；如圖15和圖16所示。

圖15 橫豎相間多刃缸孔鏜銑刀

圖16 缸孔加工多刃鏜銑刀

新能源汽車零部件加工刀具技術(shù)

世界各大刀具廠商針對(duì)新能源汽車零部件定制到整套方案，包括山特維克可樂(lè)滿、瓦爾特、山高、伊斯卡、MAPAL等廠商。國(guó)內(nèi)刀具品牌也相繼推出了高端刀具方案，PCBN、CBN、PCD整套刀具方案，對(duì)提升效率起到立桿見影到作用。

1）斷屑槽的CBN、PCD刀具到開發(fā)推向市場(chǎng)，排除了因粘結(jié)，排屑不良的鍛造鋁，擠壓鋁合金失效問(wèn)題，如今針對(duì)鋁加工到PCD刀具已經(jīng)遍布整個(gè)車銑刀具應(yīng)用。鉆頭、銑刀、鉸刀、面銑刀、螺紋銑刀等，效率直接提升200%～500%，因此在大批量產(chǎn)品加工中就是拼的機(jī)床與刀具的的效率，操機(jī)人員作用相對(duì)下降（山特集團(tuán)圖冊(cè)如圖17所示）。

圖17 階梯PCD復(fù)合鉸刀/鏜刀

2）CBN刀具使用在灰鐵精加工，從原來(lái)的260～400m/min，提升到600～1000m/min，效率翻倍，大大提升了加工效率。

3）PCBN及陶瓷刀片，對(duì)球墨鑄鐵到提效事半功倍，促進(jìn)了球墨鑄鐵加工效率(瓦爾特圖冊(cè)如圖18所示）。

圖18 復(fù)合刀具提效說(shuō)明表

一次完成粗精加工面銑刀

每個(gè)刀片包含一條粗加工切削刃 (位于外徑上) 和一條精加工切削刃 (位于端面上)。粗加工區(qū)域發(fā)揮傳統(tǒng)銑刀的作用，所有粗加工切削刃的直徑和高度都相同。精加工區(qū)域發(fā)揮銑刀的作用，包含多條徑向和軸向階梯式切削刃。這種定位可確保無(wú)毛刺銑削和出色的表面質(zhì)量。專用于加工薄壁鋁合金零件，無(wú)需調(diào)整，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高進(jìn)給率而不產(chǎn)生切削振動(dòng)（山特維克可樂(lè)滿圖冊(cè)如圖19所示）。

圖19 鋁件面粗銑精復(fù)合盤刀

雖然專為鋁件的薄壁銑削工序設(shè)計(jì)，但也能適用于大切寬的場(chǎng)合。可使用一把刀具完成粗加工和精加工，直接完成精加工，實(shí)現(xiàn)出色表面質(zhì)量，適合加工汽車鋁合金零件，而不會(huì)產(chǎn)生劃痕、毛刺或崩缺。

2.鼠籠式套外圓加工刀具

（Mapal圖樣）在外側(cè)，該元件設(shè)有螺旋形圓周槽。在插入外殼體中后，冷卻劑流經(jīng)該凹槽。因此定子支承座也稱之為“冷卻套管”。MAPAL公司在米蘭的EMO（歐洲機(jī)床展覽會(huì)）上將展示新的外徑加工刀具。其屬于較特殊的刀具之一。粗加工后，鐘形刀具負(fù)責(zé)整個(gè)外部的精加工。專門設(shè)計(jì)的輕型刀具配有刀片和導(dǎo)向條，并在正確的位置具有開口，以盡可能減少重量并通過(guò)大開口排出切屑。精加工刀具保證高圓度和精度。如圖20所示。

圖20 復(fù)合冷套管刀

失效模式預(yù)防及糾正

1.強(qiáng)制換刀及刀具失效預(yù)防

通過(guò)對(duì)刀具的失效記錄，識(shí)別失效并分析糾正，是汽車零部件加工過(guò)程中重點(diǎn)，收集失效模式，針對(duì)性地查找原因，迅速制定糾正措施，是生產(chǎn)線的運(yùn)行高OEE的必須。

確認(rèn)容易失效的刀具刀體，備用替補(bǔ)刀具；杜絕因刀具發(fā)生停產(chǎn)情況。

假設(shè)是瓶頸刀具，需要尋找高端制造商提報(bào)制定更高端刀具方案。

例如：加工鑄件容易發(fā)生崩刃（遇到夾渣氣孔時(shí)），盡量少用或不用U鉆魔術(shù)鉆，多用整體合金鉆頭。

在嚴(yán)重?cái)嗬m(xù)切削時(shí)，少用或不用PCD/CBN刀具，降低風(fēng)險(xiǎn)。

需要對(duì)刀具進(jìn)行全面到刀具TPM(全面設(shè)備維護(hù))及時(shí)對(duì)刀具進(jìn)行監(jiān)控保養(yǎng)維護(hù)，到了發(fā)生失效再去補(bǔ)救，估計(jì)會(huì)造成刀具報(bào)廢及工件報(bào)廢的情況。

大批量生產(chǎn)線強(qiáng)制換刀是在充分地進(jìn)行SPC統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)刀具在線監(jiān)測(cè)到必須，找出失效發(fā)生點(diǎn)，磨損失效點(diǎn)，批量檢測(cè)監(jiān)控統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上科學(xué)強(qiáng)制換刀。

強(qiáng)制換下來(lái)到刀具可以在小批量中發(fā)揮剩余價(jià)值，可以降低較大刀具成本。

2.主軸負(fù)載監(jiān)控、有效功率監(jiān)控

基于主軸負(fù)載、電流、扭矩（切削力傳感器）、有效功率監(jiān)控，切削循環(huán)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，保護(hù)數(shù)據(jù)，緩沖數(shù)據(jù)等等；對(duì)異常、刀具破損、缺刀、過(guò)載、刀具磨損等的報(bào)警、停機(jī)等有效手段。

為了在機(jī)床上進(jìn)行碰撞探測(cè)，一個(gè)切削力傳感器集成在主軸與旋轉(zhuǎn)器接口之間或刀柄與滑塊之間。在發(fā)生碰撞或過(guò)程退化的情況下，切削力會(huì)產(chǎn)生沖擊。如果該信號(hào)超過(guò)可調(diào)監(jiān)控過(guò)載極限，則系統(tǒng)將做出反應(yīng)，直接數(shù)字輸出能夠使機(jī)床盡可能快地停機(jī)。為了在加工中心上進(jìn)行碰撞探測(cè)，可在主軸上使用振動(dòng)傳感器。

主軸監(jiān)控主要針對(duì)碰撞探測(cè)器是一種可靠的解決方案，將幫助您避免碰撞或在發(fā)生碰撞時(shí)最大限度地減少機(jī)床和工件損壞。該解決方案安裝在機(jī)床內(nèi)并連接至PLC (可編程邏輯控制器)，用于探測(cè)碰撞并在5ms內(nèi)做出反應(yīng)以使機(jī)床停止運(yùn)行。在加工車間中安裝過(guò)程監(jiān)控可增強(qiáng)對(duì)加工過(guò)程的控制。制造過(guò)程中的難控制因素和人為錯(cuò)誤可能導(dǎo)致零件、機(jī)床主軸或切削刀具損壞。小錯(cuò)誤往往會(huì)導(dǎo)致大問(wèn)題，如嚴(yán)重的機(jī)床停機(jī)及延遲輸出和交貨。在加工車間中安裝過(guò)程監(jiān)控可增強(qiáng)對(duì)加工過(guò)程的控制。如發(fā)生特定問(wèn)題，將根據(jù)已編程協(xié)議采取相應(yīng)措施 (如停止機(jī)床或更換磨損刀具)。

1）碰撞檢測(cè)在平穩(wěn)安全加工時(shí)以記憶切削負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)圖，根據(jù)此圖進(jìn)行監(jiān)控可以設(shè)定整個(gè)程序環(huán)為100%，建立一個(gè)緩沖區(qū)，在此緩沖區(qū)進(jìn)行保護(hù)，一旦負(fù)載超出緩沖區(qū)負(fù)載，馬上停機(jī)。如圖21所示。

圖21 扭矩防護(hù)緩沖保護(hù)示意

刀具破損檢測(cè)：刀具破裂也是扭矩發(fā)生瞬間變化，軟件給與信號(hào)，停機(jī)報(bào)警。

刀具磨損檢測(cè)：磨損一般是負(fù)載逐步增加，超過(guò)扭矩緩沖區(qū)報(bào)警處理，更換刀具（刀片）。

接觸監(jiān)測(cè)：接觸主要是突然發(fā)生干涉撞刀，突破跳出緩沖區(qū)，機(jī)理與單刀具破損相同，緩沖區(qū)突然被突破，停機(jī)報(bào)警檢查。

主要優(yōu)點(diǎn)：減少機(jī)床意外停機(jī)時(shí)間；降低單個(gè)零件成本；加工出的零件質(zhì)量穩(wěn)定；降低總經(jīng)營(yíng)成本。

根據(jù)目前實(shí)施方案到公司統(tǒng)計(jì)，在OEE、質(zhì)量合格率、主軸嚴(yán)重?fù)p失上有較為明顯到改善。如圖22所示。

圖22 山特及馬波斯公司刀具切削監(jiān)控

結(jié)語(yǔ)

科學(xué)選取刀具，基于理論結(jié)合應(yīng)用實(shí)踐，合適的選取切削參數(shù)，定制復(fù)合非標(biāo)刀具的合理應(yīng)用?？梢园l(fā)揮高端機(jī)床及生產(chǎn)線潛力，全面提升加工效率與質(zhì)量，才可以在競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。