大型孔加工刀具兼顾轻量化和稳定性

如今，汽车制造工业越来越多地依赖轻质材料了。像发动机缸体、气缸缸盖和变速箱等汽车配件大多为铝合金材料制成，减少燃油消耗的同时也能保证车辆的动力性能。轻量化制造的发展趋势对汽车生产制造技术，尤其是对精密加工中使用的刀具，提出了更高的要求。而轻量化的宗旨也适用于刀具设计和刀具制造本身。刀具制造业中开发的PKD多晶金刚石刀具就适合于完成轻量化材料的加工制造任务。

在当前的电动汽车解决方案中，尤其是在电动汽车电动机壳体的加工中，可以看到轻量化制造的发展趋势对大型孔加工刀具提出了多么高的要求（参见图1）。图中所示的电动机外壳是由不同的铝合金材料制成的，而且加工材料时所使用的大多数是PKD多晶金刚石刀具。

图 1：为了能够在电动汽车电动机壳体上完成大直径定子孔的加工 （图中彩色显示的部分）并确保严 格的公差要求，所使用的孔加工刀具就必须尽可能轻一些 , 根据生产环境还应具有很好的热稳定性。

这里面临的挑战是非常巨大的，它要求加工精度可靠地达到IT6级的直径公差且有着非常小的形位公差。例如，在总长400多毫米的轴上只允许有小于40微米的同轴度误差。一般来讲，定子孔的直径都明显大于200毫米。

另外，加工这些壳体类零件的机床设备也常常受到刀具装夹系统的限制。更准确地说是受到换刀系统的限制，刀具自身的重量以及在加工中由刀具重量引起的倾覆力矩限制了刀具的使用规格。因此，开发轻量化的刀具势在必行。下面将具体介绍轻量化结构刀具的一些特点。

第一种是钢制刀体配PKD多晶金刚石刀片的特种孔加工刀具，这种刀具的重量是根据加工时的负载大小设计的，省略了不必要的金属材料结构，因此有着较低的重量。但为了保证加工时所需的刚度，需要一些辅助支撑元素（例如刀具内部的十字加强筋）来吸收切削力、避免产生过大的变形。这种孔加工刀具使用的是常规钢制刀体，并被证明是一种非常合理的刀具设计，装配PKD多晶金刚石刀片的加工刀具，比实体刀具有更好的散热性能和更好的减振性能。

主轴承受的负载是决定性标准

在实际生产加工中，钻削自动变速箱箱体时的孔径可以达到300毫米。刀具直径的增加导致刀具自重的增加，从而引起作用在主轴上的倾覆力矩变大，进而降低加工精度。另外，更大的主轴负荷也会增加主轴的磨损，带来额外的维护保养。

此时，采用重量较轻的铝合金材料可以减轻刀具的整体重量。例如Gühring公司设计制造的齿轮箱加工用六刃PKD多晶金刚石特种钻孔刀具，就采用了铝合金材质。这种铝合金特种刀具的加工直径可达235毫米，整体重量却不足20千克，加工时其作用在主轴和换刀系统上的倾覆力矩减少到了22牛顿·米，既减轻了刀具重量又实现了更高的生产效率。

图 2：轻巧的钛合金 PKD 刀体和镶嵌的 PKD 多晶金刚石可换刀片有助于实现高精度的大直径内孔加工。

尽管这种特殊刀具的加工直径可达235毫米，但铝合金材料的孔加工刀具仍然无法满足更大直径尺寸的加工要求。由于铝合金的刚度比钢材低，因此随着钻孔时切削力的增加，钻孔刀具的振动也会给钻孔质量带来影响。并且，如果在温度较高的环境中进行孔加工操作时，因铝合金的热膨胀系数是钢材的两倍，操作人员需要付出更多的努力以确保加工过程的稳定性。

为了尽可能地减少尺寸精度的偏差，操作人员就应尽可能避免忽高忽低的温度变化，避免过大的温度梯度。因为温度梯度每变化10℃将导致直径变化超过0.05毫米，这也就超过了IT6级的公差带要求了。

为了实现加工零件的工艺要求，工业领域在加工大直径孔时通常采用质量较轻的孔加工刀具，同时加工的环境温度也至关重要。在航空航天工业领域，钛合金材质的孔加工刀具已经得到广泛使用，从而克服加工难题。

图2所示的精镗刀具的刀体就是采用钛合金制造的。因此，这一刀具质量很轻，与常规材料制造的精镗刀具相比较，其对温度变化的敏感度较低。为了在使用钛合金材料最少的情况下使精镗刀具有着最大刚性，工程师在设计精镗刀具时采用了FEM有限元模拟技术，并将模拟结果纳入到刀具设计之中，从而使实现精镗刀具几何形状的拓扑优化。

这种几何形状的支撑筋可以确保刀具有着最大程度的刚性和所需的工艺可靠性。同时，质量的减轻也减少了主轴承受的载荷。钛合金刀体的密度约为4.5g/cm3，比钢材的密度低了大约40%；其热膨胀系数为8.6×10-6/K，明显低于钢材的10×10-6/K；同时，钛合金的热膨胀系数也比铝合金的23×10-6/K要低，但却有着更好的刚性和强度。

根据不同的边界条件，有许许多多加工大直径孔的解决方案，虽然它们具有各自不同的优点，但也或多或少都有缺点和不足。究竟这些解决方案中的哪一个是最佳的，则要视孔加工的全过程而定。另外，为了满足未来用户的更高要求，刀具生产厂家们也正在不断地开发新的孔加工刀具解决方案。

本文译自德国WerkstattandBetrieb杂志

作者：NicolasBeer&JansminHerter