伊斯卡專注汽車行業(yè)，提供先進的刀具解決方案
2020-4-14 來源：伊斯卡 作者：-
前 言
諸多不斷變化的因素，如油價的起伏、日益嚴苛的環(huán)境保護法規(guī)和技術(shù)往更高效的方向發(fā)展，都在持續(xù)推進改變?nèi)蚱囀袌觥Ｒ陨弦蛩剡€加劇了汽車制造商和OEM制造商之間的競爭，并決定了當今汽車行業(yè)的制造趨勢。
當今的發(fā)動機正變得更輕更小、更經(jīng)濟、更環(huán)保，也更精巧、更悄靜；較之上一代機組，輸出功率和扭矩提高了25-30%。如今，越來越普及的渦輪增壓器在 ICE 內(nèi)燃機優(yōu)化中起著關(guān)鍵作用。渦輪增壓器利用發(fā)動機以往未充分利用的廢氣來推動渦輪旋轉(zhuǎn)，以激活空氣壓縮機。當推進到發(fā)動機的燃燒室時，由此產(chǎn)生的空氣/燃油混合物可顯著提高發(fā)動機的性能，并大大提高其能效。使用渦輪增壓器也會帶來不利的后果，應(yīng)用于柴油發(fā)動機時產(chǎn)生的熱量會使渦輪殼體溫度升高至900°C，應(yīng)用于汽油發(fā)動機時渦輪殼體溫度甚至高達1100°C。確保這些零部件在如此高溫下能夠高效工作至關(guān)重要，因此渦輪殼體采用奧氏體耐熱鑄鋼制造，具有相對高的蠕變強度、良好的熱穩(wěn)定性和出色的可鑄性。
如果渦輪殼體易于加工，這種材料解決方案將是完美的，但許多渦輪增壓器制造商在使用標準刀具加工渦輪殼體時都遇到了困難。通常標準硬質(zhì)合金刀片在報廢前僅能加工少許幾個此類零件。在許多案例中，這些刀具的損壞可能會導致停機和其它昂貴設(shè)備的損壞。作為全球汽車行業(yè)的領(lǐng)軍供應(yīng)商，伊斯卡汽車行業(yè)部門受邀對解決上述問題給予支持。歸根結(jié)底有兩個主要的問題亟待解決：延長刀具的刃口壽命；設(shè)計特制刀具以縮減這些復(fù)雜零件的加工時間，因全球有數(shù)以百萬計的渦輪增壓器年產(chǎn)量。
更長的刀具壽命可以最小化停機時間，使加工過程更為高效。因此，伊斯卡的研發(fā)部門開發(fā)了幾款先進的全新硬質(zhì)合金刀片牌號，這些牌號不僅能以非常高的切削速度運轉(zhuǎn)，而且比其他品牌的牌號耐用得多。伊斯卡將新牌號與創(chuàng)新的切削刃幾何形狀，以及技術(shù)創(chuàng)新的涂層后處理技術(shù)完美整合，使得刀具切削刃的使用壽命更長，加工時間大大縮短。MS32是伊斯卡的全新牌號之一，主要用于粗銑和精銑加工。該硬質(zhì)合金基體在耐磨性和韌性之間取得了良好的平衡，再結(jié)合技術(shù)前沿的CVD涂層，令得MS32牌號耐磨性更上一個等級。這一先進的新牌號已被證實可應(yīng)用于干式切削、濕式切削、甚至是微量潤滑切削MQL加工環(huán)境中。舉例說明：伊斯卡直徑Ø100mm的面銑刀SOF45 8/16-D100-10-32R，裝夾10片標準刀片S845 SNHU 1305…MS32，能以切削速度Vc = 150 m / min和每轉(zhuǎn)進給f = 3 mm/rev輕松完成對余量為6mm的奧氏體耐熱鑄鋼的加工任務(wù)，每更新一次切削刃可加工25-30個零件；而競爭對手的每刀片切削刃僅可完成12個零件的加工。
通過采用單個刀具、組合刀具和多功能刀具，減免一些標準工步，可以進一步縮減加工時間。例如，圖1展示的刀具在一次軸向裝夾移動中即可執(zhí)行5種不同的操作：粗鏜、倒圓角、精鏜、锪孔、倒角。假定采用圖示刀具，平均每個工步可縮減5秒的加工時間，則每一加工周期可有效縮減20秒。基于上述原因，因減少換刀操作還帶來意外的節(jié)省；假設(shè)每次換刀大約需要5秒，那么加工周期能再縮減20秒。綜上所述，通過使用這些高效刀具，伊斯卡能幫助將該加工周期縮減40秒，有助于直接提升客戶的盈利能力。該保守數(shù)據(jù)尚未考慮其他有利因素，如節(jié)能、對刀時間、機器和設(shè)備折舊費用等。
氣缸體
大約10-15年前，最常用的鑄鐵缸體基本上被雙金屬缸體（嵌入鑄鐵襯套的鋁缸體）取代。如今，越來越多的汽車制造商又用熱噴涂工藝或CBC缸孔涂裝方法取代了雙缸工藝，即一種特殊的可直接應(yīng)用于鋁質(zhì)氣缸壁的涂層。有幾種不同的熱噴涂方法：等離子電弧噴涂PTWA、大氣等離子噴涂APS、電弧噴涂TWA等。采納這些涂層能為發(fā)動機及汽車性能帶來很多好處，列舉其中最重要的兩個如下：重量——無需沉重的鑄鐵襯套，發(fā)動機就輕了很多；潤滑——受涂層的微觀結(jié)構(gòu)影響使得氣缸和活塞之間的摩擦更小。
CBC缸孔涂裝的一個主要制造問題是硬度相對較高，涂層厚度相對不均勻。因此，通過汽缸珩磨工步來獲取最終尺寸將會是一個耗時長且復(fù)雜的過程。伊斯卡工程師的目標就是最小化珩磨加工周期。他們首先用高效鏜孔工藝取代了幾個耗時的粗磨加工。該刀具裝備了4-6片伊斯卡PCBN刀片，均可獨立調(diào)節(jié)至精準直徑。采用PCBN刀片能以非常高的切削參數(shù)進行加工。例如，以Vc = 400 - 700 m / min的切削速度和f = 1 - 1.2 mm/rev的每轉(zhuǎn)進給加工直徑100mm的氣缸孔。在某些案例中，當排屑有問題，可采用前刀面設(shè)計有斷屑槽的PCBN刀片。鏜孔完成后，切削刃向刀具軸心線方向移動，以避免退刀時劃傷氣缸表面。
有兩種常見的機構(gòu)（取決于機器）：一種是線性驅(qū)動拉桿，它只有2種狀態(tài)（“ON”用于鏜孔加工時；“OFF”用于退刀時）。另一種是完全由數(shù)字控制驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)桿，可以實時改變刀具直徑；例如，用于圓錐形、圓桶形或其他異形孔的內(nèi)孔開槽或用于對由磨損刀片加工的內(nèi)徑進行校正或補償。
這些操作成功的一個關(guān)鍵要素是，選擇與被加工材料匹配的PCBN牌號。所挑選的牌號必須在硬度和韌性之間取得與加工相適配的正確平衡。雖然不建議在PCBN刀片的使用過程中施加冷卻，但一些汽車制造商仍堅持使用濕式加工工藝。在這種情況下，必須考慮加工環(huán)境（乳化液或油性冷卻劑、微量潤滑冷卻MQL、干式加工等）。切削刃的刃口處理（負倒棱、倒圓角、鋒利切削刃或鈍化切削刃等）取決于被加工材料、切削參數(shù)和切削深度。
閥門
氣體交換閥，特別是排氣閥，總是處于集中熱負荷下。如前所述，廢氣溫度高達900℃以上，這對閥門材料是一個很大的挑戰(zhàn)，會導致其過度磨損和過早疲勞失效。一些領(lǐng)先的公司已經(jīng)開發(fā)了新的技術(shù)來解決上述問題。其中一種解決方案是采用槍鉆從閥門頂部鉆孔，并用鈉填充該鉆腔。在發(fā)動機運行過程中，鈉吸收產(chǎn)生的熱量并融化。震動效應(yīng)迫使這種鈉溶液沿閥桿內(nèi)孔上下移動，將熱量從閥頭散發(fā)到閥桿促使其冷卻。這樣閥頭就可以保持較低的溫度，延長使用壽命，降低閥門燃燒、提前點火和爆燃的風險。
伊斯卡的整體硬質(zhì)合金槍鉆加工孔具有優(yōu)異的表面光潔度，這對于加工空心閥門的應(yīng)用至關(guān)重要。整體硬質(zhì)合金槍鉆加工孔徑范圍：Ø0.9 -Ø16 mm。加工優(yōu)勢：鉆孔精度可達IT7；具有極佳的直線度和同心度；保持孔的高精度及同心度；可輕松實現(xiàn)Ra 0.4 - 1.6µm的表面粗糙度；通常無需返工（省卻了鏜孔工序）。
在進行這些加工操作時，為了能夠輕松地使鈉滑入閥桿內(nèi)孔中，需使得內(nèi)孔壁盡可能地光滑。對于這種特殊的應(yīng)用，伊斯卡建議使用整體硬質(zhì)合金槍鉆，驅(qū)動柄可以是鋼質(zhì)或硬質(zhì)合金材質(zhì)。這些鉆頭是為常規(guī)機床、加工中心、車床和專用槍鉆機設(shè)計的。伊斯卡提供直徑值起始于0.9mm的槍鉆，槍鉆具有卓越的剛性，需同時提供冷卻液并優(yōu)化冷卻流量。與焊接式槍鉆相比，采用這些整體硬質(zhì)合金槍鉆無論是進給還是切削速度都能提高100%。
伊斯卡專業(yè)提供各式幾何形狀的槍鉆，這些形狀針對不同的鉆削速率、加工孔精度和表面光潔度而設(shè)計的。鉆頭的形狀及其輪廓必須與工件材料相適配。事實上，這正是伊斯卡的專家們在這一特定案例中所做的。然而，甄選出正確的槍鉆幾何形狀只是邁向成功的重要一步。適當?shù)那邢魅刑幚恚ㄇ暗睹鎾伖夂颓邢魅锈g化至恰當?shù)某叽纾┛梢赃M一步改善表面光潔度；并有助于提高槍鉆的性能，延長槍鉆的使用壽命。此外，槍鉆刀體也經(jīng)過拋光處理，變得非常光滑，使得切屑可以輕松從閥桿內(nèi)排出。伊斯卡最新推出的基于IC08超細晶粒硬質(zhì)合金基體采用AlTiN（PVD）納米涂層的槍鉆可以實現(xiàn)最佳的空心閥門鉆削效果。
凸輪軸
與傳統(tǒng)的用鑄造或鍛造棒料加工的方法相比，用模塊組裝凸輪軸是一個相對較新的概念，可以使凸輪軸變得更輕（減重可達45%），且成本也低得多。該系統(tǒng)采用熱膨脹作為工藝原理，一些OEM制造商將預(yù)熱的單個凸輪固定在預(yù)冷的精密鋼管上。其他制造商會將單個凸輪固定在鋼管上，然后通過使用熱空氣壓力，在與凸輪接合的地方擴張鋼管直徑。這兩種方法都可以使每個凸輪的凸角精確地按照凸輪軸的幾何形狀排列。
單個凸輪要么是由金屬粉末壓制后燒結(jié)而成，要么是由淬火鋼制成。由于每年需生產(chǎn)的這類凸輪數(shù)以百萬計，制造商們急于將加工周期縮至最短。而OEM制造商需要保持靈活性，對快速更迭的市場即時做出反應(yīng)，并盡可能地少花錢，所以他們更愿意投資特制刀具，而不是購置新的機床。
為了縮短加工周期，伊斯卡開發(fā)了一個技術(shù)創(chuàng)新的概念，即一款能夠完成整個凸輪加工的創(chuàng)新刀片。這款不同凡響的刀片可完成端面車削、內(nèi)孔粗車削、內(nèi)孔精車削和倒角加工。這把極其耐用的立裝夾緊刀片可以在盡可能高的切削參數(shù)下輕松應(yīng)對上述所有4種操作，包括加工凸輪凸角的輪廓，且僅需幾秒就能完成整個凸輪加工周期。
針對鍛造凸輪軸的深孔鉆削加工，伊斯卡提出了一種不同的方法，即使用夾持可換硬質(zhì)合金刀片的深孔鉆。這一新想法給OEM制造商們帶來諸多好處。與使用傳統(tǒng)槍鉆相比，采用新型槍鉆使這一加工工藝更具經(jīng)濟可行性：一是標準刀片的庫存總是充足的；一是刀片帶有3個切削刃，無需重新修磨。刀片前刀面帶有大正前角壓制斷屑槽，后刀面帶有三個分屑臺的鋸齒形切削刃，能將切屑切分為多個短小切屑，從而降低加工扭矩，也即能實現(xiàn)更大的進給，并提高了排屑的流暢性。此外，在切削刃的末端，也即是加工孔壁處還設(shè)計有短修光刃，用以實現(xiàn)出色的孔加工表面質(zhì)量。采用伊斯卡的TRIDEEP系列深孔鉆（型號為GD- DH…）可獲取高達IT10公差等級精度的孔徑，鉆頭直徑范圍為16-28 mm。標準TOGT刀片帶有三個鋸齒形切削刃，加工中生成易于排出的窄短切屑，切削輕快。
強烈推薦將這些經(jīng)濟且高效的刀具應(yīng)用于凸輪軸的深孔鉆削加工，該深孔鉆也適用于車床和槍鉆專機。GD-DH深孔鉆頭的鉆深比通常設(shè)定為10、15和25。伊斯卡也可為客戶定制長達2400mm的TRI-DEEP系列鉆頭。
活塞
與傳統(tǒng)的鋁活塞相比，更短和薄壁（有時需采用摩擦焊）的鋼質(zhì)活塞更輕，比鋁質(zhì)活塞承受的負荷更高。丁槽活塞的幾何形狀變得更加復(fù)雜，需要具有創(chuàng)新的工程思路來加工可達性差的加工面。加工刀具如圖5。圖5上方刀具：一款一次性加工四個活塞環(huán)槽的專用刀具；
圖5下方刀具：采用伊斯卡高精度且易于更換的GRIP刀片的仿形刀具來加工位于活塞頂部的可達性差且形狀復(fù)雜的燃燒室。
伊斯卡在加工鋼質(zhì)活塞方面的目標：
1.減少加工所需刀具的數(shù)量，以壓縮費用高昂的加工周期耗時。由于加工區(qū)域可達性差，就需要刀具設(shè)計具有高水準的創(chuàng)造力。刀具必須足夠窄以順利切入活塞且不發(fā)生干涉、碰撞，同時也必須足夠強固以承受高切削力。伊斯卡的GRIP系列產(chǎn)品兼具所需的剛性和通用性。易于操作的刀片夾緊系統(tǒng)沒有多余的部件，可以強力夾持刀片，即使改變切削方向也不會從刀具定位槽中脫落。也就是說采用該刀具可用于端面切槽、左手車削、右手車削及輪廓加工，加工過程無震動，并可獲取光潔閃亮的表面。
2.此外，為了能有效從復(fù)雜的腔體中排出切屑，伊斯卡還為GRIP刀片提供各式分屑槽，以將切屑劈裂為小段快速排出。
3.增延刀片切削刃壽命。刀具壽命短意味著機床停機次數(shù)多，也意味著加工效率低。事實上，伊斯卡Jet HP概念的系列刀具已歷經(jīng)實踐檢驗，能使得高壓冷卻射流直達切削區(qū)域，極大地提高了每一切削刃的使用壽命。此外，采納該加工方式還能改善斷屑進程。
結(jié) 語
汽車制造商推出新平臺和新車型的時刻表每年都在收緊，因此OEM制造商不斷向第2、3級供應(yīng)商施壓，要求縮短交貨期。伊斯卡的大多數(shù)汽車項目是由其總部設(shè)計的，然而公司的物流協(xié)調(diào)特別重視客戶所訴求的交貨時間。雖然伊斯卡的生產(chǎn)工廠遍布世界各地，但在許多案例中，伊斯卡會挑選離客戶最近的工廠以便在盡可能短的時間內(nèi)生產(chǎn)制造交付出非標訂制刀具。除了時間和物流因素，該措施還能帶來諸多經(jīng)濟優(yōu)勢，如更少的稅收、更低的運輸成本等等。
對生產(chǎn)環(huán)境進行更潔凈的限控在今天的市場中扮演著重要的角色。伊斯卡為當今和未來建設(shè)一個更美好的世界做出貢獻，包括提供有效的硬質(zhì)合金回收計劃、更耐用的刀具、能耗更低的產(chǎn)品以及提供與微量潤滑MQL兼容的刀具。伊斯卡經(jīng)驗豐富的技術(shù)專家可以為世界各地的客戶提供卓越的支持和服務(wù)。我們的專業(yè)團隊護持客戶的生產(chǎn)全程，直到項目全面收官并驗收。
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