高速切削在鋁合金變速器殼體加工中的應(yīng)用研究
2024-7-1 來源：陜西法士特齒輪有限責任公司 作者： 王朝清
【摘要】: 本文從輕量化變速器鋁合金殼體的加工方案出發(fā)，研究了高速切削技術(shù)在刀具、機床、切削參數(shù)及加工經(jīng)濟性等方面的特點，并通過驗證應(yīng)用解決了鋁合金殼體加工的效率提升問題。
近年來，環(huán)保和燃油經(jīng)濟性要求促使汽車零部件產(chǎn)業(yè)向輕量化方向發(fā)展，我公司鋁合金變速器相對于傳統(tǒng)鑄鐵變速器市場需求大幅提升，如何針對鋁合金殼體實現(xiàn)高速加工以便獲得高效率、低成本及良好表面質(zhì)量的加工方案是我公司近年來主要的工藝研究方向之一。
鋁合金殼體的傳統(tǒng)加工方案主要使用硬質(zhì)合金刀具，切削速度一般在 300m/min 左右，刀具刃口磨損快，刀具壽命相對較短。精加工的表面質(zhì)量可達 Ra1.6~Ra3.2 ;面銑刀一般多為可轉(zhuǎn)位刀片形式，便于刀片磨損后及時更換新刀片。但是其結(jié)構(gòu)限制了安裝刀片的數(shù)量，齒數(shù)相對較少，一定程度上制約了進給速度和加工效率。與機床主軸連接對應(yīng)的刀柄工具系統(tǒng)也多為錐面定位的BT刀柄，這種刀柄在機床主軸高速旋轉(zhuǎn)時形變較大，進而會引起刀具較大的跳動，不利于高速加工。
高速切削相對傳統(tǒng)加工具有顯著的優(yōu)越性，具體來說具有以下優(yōu)點 : 高的金屬切除率，良好的表面質(zhì)量和較小的工件變形，切削力減小及切削熱對工件影響小，延長刀具壽命。而且可以使零部件的加工表面質(zhì)量和加工精度達到更高的水平，現(xiàn)在高速加工技術(shù)已在航空航天、汽車和摩托車、模具和其他制造業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。
高速切削加工技術(shù)特點
高速切削加工技術(shù)中的 “高速” 是一個相對概念，對于不同的加工方法和工件材料與刀具材料，高速切削加工時應(yīng)用的切削速度并不相同。通常把切削速度比常規(guī)高出 5~10 倍甚至以上的切削加工叫作高速切削或超高速切削。以德國達姆施塔特工業(yè)大學(xué) H．Schulz 教授提出的銑削速度范圍比較具有代表性:鋁合金1000~7000m/min，鑄鐵 800~3000 m/min，鋼 500~2000m/min，鈦合金 100~1000 m/min，鎳基合金50~500 m/min。
傳統(tǒng)硬質(zhì)合金類刀具加工鋁合金殼體切削速度一般在 150~300 m/min 之間，而聚晶金剛石（PCD）類刀具的切削速度能達到 2000 m/min以上，實現(xiàn)高速切削。
高速切削加工時，高切削速度在材料剪切區(qū)短時釋放大量熱能。因此，隨著切削速度的增加，切削的剪切區(qū)、切屑壓縮區(qū)和變形區(qū)內(nèi)材料的單位切削力反而下降。總切削力和必需的切削功率同樣下降。切削溫度與切削速度的關(guān)系如圖 1 所示，切削力與切削速度的關(guān)系如圖 2 所示。
圖 1 切削溫度與切削速度的關(guān)系
圖 2 切削力隨切削速度的增加而降低
高速切削工藝典型的小切削深度結(jié)合高進給速度和高主軸轉(zhuǎn)速，將降低切削刃切入工件的時間，或稱接觸時間。將剪切區(qū)產(chǎn)生的切削溫度傳遞給切削材料需要一個最小接觸時間。如果沒有這個溫度傳遞時間，切削材料自身的導(dǎo)熱性能又低，切削所產(chǎn)生的切削溫度絕大部分將傳遞給切屑，由切屑執(zhí)行散熱任務(wù)（圖 3）; 一般在高速切削過程中有個特點，即形成鋸齒形切屑（圖 4）。
圖 3 高速切削和傳統(tǒng)加工的接觸時間
圖 4 鋸齒形切屑
在高速切削加工過程中還應(yīng)該考慮的一個問題是刀柄與機床主軸錐孔的連接方式，常用的錐柄有 BT、HSK、CAT 及 CAPITO 等多種形式，但是在高速切削時 HSK 因其獨特的雙面接觸過定位結(jié)構(gòu)可以保證刀尖很高的跳動要求，性能卓越，特別適合高轉(zhuǎn)速工況。
高速切削方案在輕量化變速器殼體加工中的應(yīng)用驗證由于聚晶金剛石（PCD）刀具中的碳元素在工件材料鋁合金中的溶解度很小，在切削鋁合金時表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗擴散磨損的能力，刀具壽命長，還能適應(yīng)高速切削，是加工鋁合金的理想刀具材料。刀具材料中的碳元素在工件材料鋁中的溶解度曲線如圖 5 所示。
圖 5 刀具材料中的碳元素在工件材料鋁中的溶解度曲線
以我公司某款變速器殼體接合面銑削加工為例（圖 6），傳統(tǒng)硬質(zhì)合金銑刀加工方案 : 可轉(zhuǎn)位面銑刀盤 FMA50，直徑 φ50，刀片 LDFW1504PDSR，齒數(shù) 4，大隈 MA600-HB 型臥式加工中心，BT50 主軸錐柄接口，切削速 度 Vc=780 m/min，主軸轉(zhuǎn)速 5000 rad/
min，進給速度 F=2000 mm/min, 切削路徑長度 L =1 450 mm，銑削時間為 43.5s，表面質(zhì)量 Ra=1.8。
圖 6 硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位銑刀和工件
針對我公司輕量化鋁合金變速器殼體材料ZL101A、ZL104、ADC12，我們重新設(shè)計選用聚晶金剛石（PCD）材質(zhì)的面銑刀（圖 7）開展高速切削應(yīng)用試驗，并重新選取格勞博 G552機床，其主軸錐孔形式 HSK A100，主軸轉(zhuǎn)速可達 10000 rad/min。銑刀直徑依然為 φ50，但設(shè)計有可轉(zhuǎn)位刀片式、整體式兩種，由于結(jié)構(gòu)限制兩種銑刀的齒數(shù)不同，可轉(zhuǎn)位式為 7 齒，整體式為 10 齒，可轉(zhuǎn)位銑刀更換刀片方便，而整體式修磨相對麻煩，使用中二者各有優(yōu)劣。由表中試驗數(shù)據(jù)可見，在此案例中，PCD 銑刀高速切削加工方案相對于傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具方案有明顯的優(yōu)勢 : 加工時間下降 80%，刀具壽命提升 40 倍，單件刀具成本下降 53%。PCD銑刀磨損后效果如圖 8 所示。
圖 7 PCD 刀夾式可轉(zhuǎn)位銑刀、焊片式銑刀
圖 8 PCD 銑刀磨損后效果
輕量化變速器鋁合金殼體端面加工方案關(guān)鍵參數(shù)對比數(shù)據(jù)
結(jié)語
通過對高速切削技術(shù)的研究，特別是其在刀具材料、錐柄工具系統(tǒng)等方面的特點，實現(xiàn)了 PCD 刀具在輕量化鋁合金變速器殼體銑削加工中的成功應(yīng)用，驗證了其較高的穩(wěn)定性、耐磨性及高壽命等優(yōu)良的切削性能，同時相較于傳統(tǒng)的刀具方案實現(xiàn)效率提升、成本下降。
圖 9 經(jīng)過銑削加工完成的變速器殼體
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