高速加工在發動機生産中的應用

高速加工在國際上廣泛應用于航空航天制造、模具制造、汽車零部件加工及精密零部件加工等行業，已經成為企業競相攻關的技術方向。

高速切削工藝的優點

高速切削不僅僅是切削速度的提高，還需要在制造技術全面進步和進一步創新的基礎上，包括驅動、刀具材料、塗層、刀具、測試及安全等技術的重大進步，才能達到切削速度和進給速度的成倍提高，才能使制造業整體切削加工效率有顯著的提高。高速切削工藝的優點如下：

1.縮短生産時間

采用高速切削加工，切削速度和進給速度成倍提高，整體切削加工效率有顯著的提高，加工時間顯著縮短。

2.降低制造成本

更高的生産力水平必然引起制造成本的下降。采用高速切削設備與刀具可實現批量生産下的最低制造成本。

3.高速切削吸收能量

采用高速切削加工，一方面減少了工件在加工過程中的發熱，特别在銑削加工中。因發熱量的降低，工件升溫小，加工尺寸穩定，對刀具和設備造成的損害也小；另一方面，高速切削可加工硬質材料，這一優勢是普通機床所不能比拟的。

4.改善工件的加工質量

采用高速切削加工，加工精度和切削表面的質量可大大提高，零件表面粗糙度可達到微米級，減少和消除打磨、抛光等輔助工時。

發動機制造中的高速加工

如今，随着新的工藝不斷采用，超硬材料刀具、塗層刀具與合金材料刀具的不斷開發，高速加工在普通加工中也變得愈發重要。發動機制造中的高速加工中心、高速外銑及CBN砂輪高速磨削等應用十分普遍。

發動機制造業在高速加工的應用中以電主軸實現主軸高速和以直線電機實現高直線移動速度為主要特征，目的是用高主軸轉速和高速直線進給運動的單主軸加工中心來替代多主軸但難以實現高主軸轉速和高速進給的組合機床。主軸最高轉速一般可達60000r/min，最大進給速度100m/min左右。電主軸融合了許多尖端技術，如一般采用複合陶瓷材料或電磁懸浮的高速軸承、高速電機技術、定時定量油氣潤滑以及自動換刀裝置等。也有一些公司為降低成本，不用直線電機，而采用中空通冷卻液、加大直徑和加大導程的滾珠絲杆。

上汽通用五菱發動機工廠采用高速加工中心、CBN砂輪等高性能機床，實現了高速銑削加工和磨削加工。

銑削加工

目前發動機中缸體、缸蓋大平面加工一般使用銑削技術。以鑄鐵材料的缸體在高速銑削加工中心上的銑削加工為例，采用了立方氮化硼(CBN)刀片，其切削速度可達到700～1500m/min。

銑削的生産效率大大提高。對于鋁合金材料的缸蓋，則采用面銑刀進行高速切削加工。采用PCD刀片，銑刀直徑逐漸縮小，并向多工位複式加工發展。

上汽通用五菱發動機工廠采用德國MAG公司的EX-CELL-O高速銑削加工中心，在發動機缸體缸蓋線總共布置了104台。該加工中心結構，X軸的加工範圍為0～630mm，Y軸的加工範圍為0～630mm，Z軸的加工範圍為0～710mm，B軸可實現306°旋轉，W軸為帶有20個刀位的刀庫和相應的鑽頭折斷檢查裝置。主軸為Weiss電主軸，轉速無極可調，最大為16000r/min，驅動功率30kW，使用免維護内冷刀柄，拉緊力達18000N，用永磁芯片跟蹤刀具壽命、尺寸及補償量等信息。設備附帶安裝了自動冷卻站、切削廢屑沖洗回收裝置，可消除切屑飛散造成的機械故障，減輕機床清潔保養作業的強度，從而提高設備運轉率。

缸體、缸蓋線的銑削、鑽孔、攻絲加工工藝全部由這104台EX-CELL-O加工中心完成。

磨削加工

上汽通用五菱發動機工廠的曲軸加工中應用高速磨削，采用4台美國LANDIS公司制造的外圓磨床，實現對曲軸主軸頸、連杆頸、油封和心軸等外圓的磨削加工。在外圓磨削中采用了LANDIS公司的專利磨削技術，其使用CBN砂輪在一次夾緊工件的條件下對曲軸進行磨削加工。LANDIS磨床有高切削功率，高精度的工件幾何外形，均勻的高精度尺寸及外表面質量等優點，加工後，直徑公差可保證在±6mm之間，加工面的粗糙度可控制在Ra0.8mm以内。LANDIS磨床能實現Marposs在線測量反饋，自動補正，自動修砂輪等功能，而且測量頭用冷卻液同步冷卻大大減小溫度對測量的影響，可大大提高加工柔性，CBN砂輪每修整一次，可加工5000～10000件曲軸。

車-車拉結合高速外銑

曲軸車-車拉工藝将車削和車拉工藝結合在一起，使加工的柔性增大。不但可加工曲軸的主軸頸、連杆頸、法蘭和皮帶輪軸頸，而且還可同時加工軸頸的外圓軸肩、圓角和沿割槽。結合曲軸的高速外銑後可大大節省加工時間。上汽通用五菱發動機工廠的曲軸加工使用全球領先的德國BOEHRINGER公司的5台車-車拉床，實現對曲軸主軸頸、連杆頸和法蘭的加工。BOEHRINGER車-車拉床使用雙主軸，雙刀盤結構，在保證加工精度的同時，提高了加工速度和生産效率。

鑽削加工

在發動機生産過程中，孔加工的比例也比較高，尤其是缸蓋和缸體的孔加工作業量比較大。其中鑽削加工約占60%，其次為镗削加工和攻絲加工。

上汽通用五菱發動機工廠的發動機缸體缸蓋的鑽削加工使用EX-CELL-O加工中心完成，而曲軸的斜油孔、法蘭端螺紋孔以及兩端定位孔等加工内容，則使用日本HORKOS加工中心完成。曲軸生産線共采用10台HORKOS加工中心，其中，兩台OP10、4台OP50、3台OP60和1台OP100。高速鑽削加工主要難點是如何提高排屑性能、提高工具剛性、防止鑽尖過熱和回轉平衡性等問題。HORKOS加工中心以優良的表現，再配以優質内冷刀具，成功解決了這些高速鑽削加工中常見的問題。

高速切削刀具的應用

高速加工的發展史就是刀具材料不斷進步的曆史。上汽通用五菱發動機工廠SOP初期采用的大部分刀具均為進口，國産化工作不斷取得突破，現在應用比較普遍的刀具主要有CBN和PCD刀具、塗層硬質合金刀具、陶瓷刀具等。另外，绗磨刀具的國産化也已取得重大突破。

1.CBN及PCD刀具

高速切削的代表性工具材料是CBN以及PCD。端面銑削使用CBN刀具時，其切削速度可達5000m/min。用CBN刀具加工20CrMo5淬硬齒輪（60HRC）内孔，表面粗糙度可達0.22μm，已成為國内外汽車行業推廣的新工藝。凸輪軸和曲軸也采用CBN砂輪進行高速磨削；在缸體、缸蓋鋁合金材料銑削加工中則廣泛采用PCD刀具，考慮到高速回轉時将會産生很大的離心力，因此刀體采用高強度鋁合金材料制作。

為氧化鋁砂輪，因為氧化鋁基具有很高的化學穩定性和有利的熱特性，綜合考慮實用性和經濟性，主要應用于磨削量大的主軸頸外圓磨床，而高端磨削刀具的代表CBN砂輪（見圖7）則應用于随動要求更高的曲軸連杆頸外圓磨床。

2.硬質合金刀具

硬質件切削是高速切削技術的重要應用領域，即用單刃或多刃刀具加工淬硬零件，它比傳統的磨削加工效率高，而且簡化了工藝方法和環節，不僅節約了成本，而且更加柔性化。

在鑽削和銑削加工中，超細晶粒硬質合金适合于大多數應用，它們同時具有較高的韌性和優異的耐熱性，從而可将有利的切削刃槽形與較大的前角及後角融為一體，這些特征的直接反映是降低了切削力和切削溫度；在攻絲時，特别高的扭矩以及在較高切削速度下升高的溫度需要采用非常堅韌且具有高耐熱性的切削材料。

上汽通用五菱發動機工廠采用内冷的硬質合金鑽頭代替過去的高速鋼鑽頭進行孔加工，攻螺紋也采用硬質合金絲錐來提高速度，缸蓋攻螺紋甚至采用無切削擠壓式絲錐。曲軸軸頸加工現改用硬質件加工方式，配合磨削和抛光，達到表面粗糙度要求。

3.刀具塗層技術

為使切削工具既作到價格低廉，又具備優異的性能，可有效降低加工成本的技術，目前當首推塗層技術。

刀具塗層的作用：可提高耐磨性，提高刀具壽命，提高切削性能；塗層的存在，降低刀具與切屑間的磨擦，借以增加鑽深,

降低切削力；鮮豔的塗層外表(金黃色、火紅色等)，易觀測刀具的磨損情況；刀具表面存在塗層，可減少切削熱，降低熱量在刀具和工件上的相互作用（塗層隔離刀具和工件，杜絕化學反應；塗層和刀具的導熱系數差異，可減少熱量在刀具上的積留）；優質塗層可提高刀具性能，減少積屑瘤和月牙窪的形成。

綜合分析塗層的經濟性和性能，上汽通用五菱發動機工廠高速加工使用的立銑刀大都采用TiAlN系的複合多層塗鍍技術進行處理，不同塗層鑽頭壽命。

結語

在大規模使用高速加工機床的背景下，伴随着高速切削刀具的使用，現代高速加工技術的廣泛應用，對上汽通用五菱發動機工廠實現年産35萬台發動機産能提供了保障。這些高速加工技術不但為上汽通用五菱發動機工廠加工了滿足市場需求的大量發動機零部件，同時，高速加工機床的加工質量穩定性和可靠性，也為上汽通用五菱在市場的激烈競争中保持領先，提供了質量保障。