老虎刀片在發動機加工中的應用

老虎刀片(Tiger·tec)是瓦爾特有限公司專門研制的加工鑄鐵用的新型硬質合金鍍層刀片。眾所周知，發動機的缸體大部分是采用灰口鑄鐵制造的。在老虎刀片出現之前，為了保證加工的穩定性和加工效率，許多發動機制造商都采用陶瓷刀片進行缸體的加工。MAHLE是一家專門制造摩托車發動機的廠商，他們也認為硬質合金刀具很難達到他們的加工需要。他們汽缸孔采用類似HT250(其內部牌號為Niresist)的灰口鑄鐵制造，粗鏜加工的孔徑為80mm，孔的長度為150mm。在單面余量為2mm的粗鏜加工中，使用專用的雙刃鏜刀和某公司的陶瓷刀片SNGN120712 SL500(由于控制切削力的需要，他們有時也使用SNGN120716的刀片)，加工的刀具壽命為70個工件。供應他們陶瓷刀片的那家公司是歐洲陶瓷刀片技術的領導者，在陶瓷刀具方面具有相當高的競爭能力。2000年開始，當地的瓦爾特工程師向他們推薦了老虎刀片SNMA120416 WAK10，令他們吃驚的事發生了。雖然老虎刀片的每分鐘375m的切削速度比陶瓷刀片每分鐘500m的切削速度略有降低，但由于進給率由原來陶瓷刀片每齒0.2mm增加到了每齒 0.27mm，其加工效率比的陶瓷刀片略高(1.25%)。在這樣的條件下，瓦爾特老虎刀片的壽命同樣可以穩定地達到70件，有時甚至達到80件，可以說與陶瓷刀片相比，在壽命方面一點也不遜色。同時由于硬質合金刀片的韌性高于氮化物陶瓷，老虎刀片至今未發生原來經常出現的刃口崩碎現象，MAHLE的加工人員不再需要對此進行經常性的嚴密監控。由于老虎刀片的價格較陶瓷刀片低許多，MAHLE公司在采用老虎刀片后的經濟效益非常明顯。在采用瓦爾特公司的老虎刀片以前，他們每年用于采購該工序的刀片費用約為51,000歐元，而當采用老虎刀片后，他們加工該工序的刀片費用已經降低到40,700歐元，下降幅度超過20％。通過這一技術革命，MAHLE公司不僅直接降低了刀具采購成本，減少了加工中切削刃崩碎的風險，還減少了刀具品種(不再需要兩種不同的刀尖圓弧半徑)，同時由于加大刀尖圓弧半徑又提高了表面粗糙度的等級從而減少了后道工序的研磨時間。

圖1 MAHLE的發動機缸體

對于原來就使用硬質合金刀片來加工發動機鑄鐵件的，老虎刀片一般都能使發動機制造商的生產效率得到顯著提高。

GKN是全球著名的汽車零部件生產商之一，他們在英國的工廠就有發動機缸體生產線。GKN英國工廠長期使用某著名刀具公司的SNMA 150616-KR GC3015刀片進行缸體的粗加工，該刀片每年的消耗量大約為5,000件。生產GC3015的是世界范圍刀具行業的領頭羊，在切削行業的巨大成績有目共睹。在試用瓦爾特老虎刀片以前，許多刀具供應商在那里進行過試圖替代GC3015刀片的嘗試，結果這些嘗試都以失敗告終。這種情況使得GKN英國工廠的金屬切削專家甚至得出過他們所使用的GC3015刀片是無法替代的結論，以至當瓦爾特有關專家向他們推薦老虎刀片時不愿相信老虎刀片的威力。但在瓦爾特專家充分介紹了老虎刀片的成功經驗并同意按照在GKN的條件進行切削試驗后(這些條件連他們自己都認為幾乎是苛刻到難以想象)，GKN英國專家終于同意對此進行切削試驗。試驗獲得了圓滿成功。GKN英國使用GC3015刀片時，使用170m/min的切削速度和0.6mm/r的進給率來進行加工，而使用瓦爾特老虎刀片時切削速度提高到了285m/min，進給率同時也增加到0.8mm/r，而切削深度仍然維持在5mm的水平上。我們知道通常切削速度的提高將意味刀具壽命的急劇下降，比如通常切削速度提高25%，以加工工件計的刀具壽命將減少約40%。而瓦爾特的老虎刀片在如此提高切削參數后，以加工工件計的刀具壽命仍然達到了GC3015的同樣水平。雖然老虎刀片的價格較GC3015貴不少，但由于提高了加工效率，GKN英國工廠仍然決定用瓦爾特老虎刀片來替代GC3015刀片。因為瓦爾特老虎刀片的加工效率提高到原來GC3015的約224%，由此大量節約了加工費用。扣去購買刀具增加的費用，GKN英國因此將每年降低制造費用387,300英鎊。

SN車刀片

AP銑刀片
圖3 瓦爾特老虎刀片

圖4 氧化鋁鍍層厚度與裂紋情況對應關系
試驗條件：
工件材料GG26Cr
干切削
直徑125mm的45°主偏角面銑刀
SEHW1204AFN銑刀片
Vc=477 m/min，fz=0.2 mm
ap=3 mm，ae=110 mm

John Deere是美國一家制造農用車輛、工程車輛以及發動機及其部件的公司。他們的發動機缸蓋有的是用鑄鐵制造的。他們原先使用著名的某以銑削刀具著稱公司的6K5A06R01銑刀進行精加工，該直徑約152mm的銑刀使用10個一般刀片(LPE324-03)和2個修光刀片(LPE324-0 wipers)，刀片材料為722。采用該銑刀時他們以約274 m/min的切削速度和0.13mm/Z的進給率，進給速度為873mm/min進行加工。采用瓦爾特的老虎刀片后其切削速度提高到305m/min，進給率保持在0.127mm/Z，進給速度提高到965mm/min，而且只用瓦爾特刀具加工時不需要修光刀片。John Deere的金屬加工專家對此感到十分高興，老虎刀片成為他們在該項目唯一合乎邏輯的選擇，為此一次購買了7個瓦爾特的銑刀盤。因為使用老虎刀片，他們的刀具費用降低了55%，而整個加工費用也由于刀具費用的降低和加工效率的提高而降低了約6.5％。使用老虎刀片使他們降低了加工費用，降低了刀具費用，改善了加工質量，簡化了刀具管理。

是什么使老虎刀片在粗加工鑄鐵時能提供高于以往的切削速度呢？瓦爾特公司技術部門作出了自己的解釋。他們說首先是鍍層技術起了主要作用。實踐表明，加工鑄鐵尤其是粗加工鑄鐵時，黑色的氧化鋁鍍層無疑是最佳選擇。而且，我們從圖4可以看到，氧化鋁鍍層的厚度與梳狀裂紋的發生成反比。但由于厚的鍍層會對鍍層的結合力構成傷害，刀具的常規鍍層一般較薄。而瓦爾特老虎刀片的研發人員通過大量的研究試驗開發出一種特殊的中間層，從而提高了鍍層的結合力而允許鍍層厚度得以增加，這樣更耐用的氧化鋁鍍層得到了充分的發揮。同時硬質合金基體也作了進一步的改進而使其更加耐磨。老虎刀片的高切削速度和工藝可靠性很大程度上歸結于氧化鋁鍍層通過一個特殊的中間層與經過改良的碳化鎢基體結合在一起。值得注意的是在瓦爾特集團總部所在地圖賓根的試驗結果表明抗磨損能力的提高和緩解產生梳狀裂紋的特性使老虎刀片的切削性能得到了充份提高。這就是為什么在加工鑄鐵時，老虎刀片具有超強耐磨性。

黑色和金色的顏色搭配也具有很高的實用性，瓦爾特公司參與老虎刀片開發的Joerg Drobniewski說：“毫無疑問，粗加工鑄鐵時，具有氧化鋁鍍層的硬質合金刀片應該是首選，其主要的缺點是黑色鍍層使磨損的痕跡變得難以辨認。” 依照Joerg Drobniewski的說法，這是老虎刀片的法寶：“通過黑色的前刀面和金色的后刀面，我們能有效地辨認刀具的磨損”。

通過用于粗加工鑄鐵的老虎刀片，瓦爾特公司實現了一個巨大的變革。通常國際上的著名刀具公司都具有某些方面的競爭優勢，我們的個案比較說明了在那些場合我們的特定產品比客戶原先使用的競爭對手產品更為合適。至少在實際應用中的性能，老虎刀片在加工鑄鐵的鍍層硬質合金刀片方面實現了飛躍性的發展，達到了先前只有陶瓷刀片才能達到的切削效率和使用壽命，在經濟效益方面具有明顯的競爭優勢。
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