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高速切削在鋁合金變速器殼體加工中的應用研究

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，研究了高速切削技術在刀具、機床、切削參數及加工經濟性等方面的特點，并通過驗證應用解決了鋁合金殼體加工的效率提升問題。

近年來，環保和燃油經濟性要求促使汽車零部件產業向輕量化方向發展，我公司鋁合金變速器相對于傳統鑄鐵變速器市場需求大幅提升，如何針對鋁合金殼體實現高速加工以便獲得高效率、低成本及良好表面質量的加工方案是我公司近年來主要的工藝研究方向之一。

鋁合金殼體的傳統加工方案主要使用硬質合金刀具，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。精加工的表面質量可達 Ra1.6~Ra3.2 ;面銑刀一般多為可轉位刀片形式，便于刀片磨損后及時更換新刀片。但是其結構限制了安裝刀片的數量，齒數相對較少，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的刀柄工具系統也多為錐面定位的BT刀柄，這種刀柄在機床主軸高速旋轉時形變較大，進而會引起刀具較大的跳動，不利于高速加工。

高速切削相對傳統加工具有顯著的優越性，具體來說具有以下優點 : 高的金屬切除率，良好的表面質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量和加工精度達到更高的水平，現在高速加工技術已在航空航天、汽車和摩托車、模具和其他制造業得到越來越廣泛的應用。

高速切削加工技術特點

高速切削加工技術中的 “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，高速切削加工時應用的切削速度并不相同。通常把切削速度比常規高出 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大學 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。

傳統硬質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，實現高速切削。

高速切削加工時，高切削速度在材料剪切區短時釋放大量熱能。因此，隨著切削速度的增加，切削的剪切區、切屑壓縮區和變形區內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系如圖 1 所示，切削力與切削速度的關系如圖 2 所示。

圖 1 切削溫度與切削速度的關系

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合高進給速度和高主軸轉速，將降低切削刃切入工件的時間，或稱接觸時間。將剪切區產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，切削材料自身的導熱性能又低，切削所產生的切削溫度絕大部分將傳遞給切屑，由切屑執行散熱任務（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構可以保證刀尖很高的跳動要求，性能卓越，特別適合高轉速工況。

高速切削方案在輕量化變速器殼體加工中的應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出了優異的抗擴散磨損的能力，刀具壽命長，還能適應高速切削，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），傳統硬質合金銑刀加工方案 : 可轉位面銑刀盤 FMA50，直徑 φ50，刀片 LDFW1504PDSR，齒數 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，表面質量 Ra=1.8。

圖 6 硬質合金可轉位銑刀和工件

針對我公司輕量化鋁合金變速器殼體材料ZL101A、ZL104、ADC12，我們重新設計選用聚晶金剛石（PCD）材質的面銑刀（圖 7）開展高速切削應用試驗，并重新選取格勞博 G552機床，其主軸錐孔形式 HSK A100，主軸轉速可達 10000 rad/min。銑刀直徑依然為 φ50，但設計有可轉位刀片式、整體式兩種，由于結構限制兩種銑刀的齒數不同，可轉位式為 7 齒，整體式為 10 齒，可轉位銑刀更換刀片方便，而整體式修磨相對麻煩，使用中二者各有優劣。由表中試驗數據可見，在此案例中，PCD 銑刀高速切削加工方案相對于傳統硬質合金刀具方案有明顯的優勢 : 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。