在DEUTZ缸盖生产线建成初期，气门导管底孔加工中的PCB刀片磨损很快，加工精度无法满足产品图样要求，且频繁调换刀片严重影响生产效率。经过大量的工艺实践，道依茨一汽(大连)柴油机有限公司突破传统思维，采用PCD刀片解决了这一加工难题。

在发动机缸盖的加工中，气门导管孔的加工不但是最关键的加工工序，而且也是缸盖加工中质量问题比较多的工序。导管孔的加工质量很大程度上取决于导管底孔的加工，因此，对导管底孔的加工精度及表面粗糙度要求较高。我公司DEUTZ发动机缸盖采用成品气门导管，压入缸盖导管底孔后不再对导管孔进行加工，对导管底孔的加工精度及表面粗糙度要求更为严格。

目前，国内发动机缸盖导管底孔的加工多采用机夹式枪铰刀，刀片材质大多采用硬质合金。在实际生产中，硬质合金刀片在加工中磨损很快，一般加工几十件后导管底孔表面粗糙度就已经无法满足产品图样要求。同时，频繁调换刀片不仅严重影响生产效率，而且还大大增加了刀具成本。我公司DEUTZ缸盖生产线建成初期被这一难题困扰了很长时间，经过大量的工艺实践，最终，我们采用聚晶金刚石（PCD）刀片解决了这一加工难题。

图1  DEUTZ缸盖材质为合金铸铁

加工背景

DEUTZ缸盖材质为合金铸铁（见图1），缸盖导管底孔的加工精度要求如表1所示。该工序加工设备为2台进口卧式加工中心， 采用机夹式枪铰刀，刀片材质为硬质合金。切削参数（经过多次试验后确定）：转速为1800r/min；切削速度86m/min；进给速度198mm/min；切削余量0.5mm（直径方向）。图2所示为加工示意图。

图2  缸盖导管底孔的加工示意

在实际加工中：缸盖导管底孔表面粗糙度达不到产品图样要求，且刀具耐用度差，需经常调换刀具，缸盖导管底孔加工质量的一致性无法保证。采用PCB刀具加工的表面粗糙度检测结果（连续切削20个缸盖）如表2所示,通常加工前10个工件的表面粗糙度是合格的，但超过十几件以后表面粗糙度就达不到产品图样要求了。

问题分析

硬质合金因其具有硬度高、耐磨、耐热和耐腐蚀等一系列优良性能，被广泛用作刀具材料。但是，硬质合金刀具在加工初期有剧烈磨损，即刀具有快速钝化的现象，因而导致切削稳定性差，对于加工精度及表面粗糙度要求很高的工件，其使用受到制约。

为解决导管底孔表面粗糙度不合格以及刀具耐用度差的问题，我们又进一步试验了硬质合金涂层刀片（物理（PVD）涂层刀具和化学（CVD）涂层刀具）和非涂层刀片，并对刀具的切削参数进行优化。从试验结果来看，采用涂层刀片比采用非涂层刀片加工时导管底孔的表面粗糙度有所改善，但依然无法满足产品图样要求。

综合分析几次试验情况，我们认定：硬质合金刀具难以满足DEUTZ缸盖气门导管底孔加工精度要求，必须寻找新的刀具。

图3  根据导管底孔的加工精度和材料确定PCD刀片几何角度

引入PCD刀片

近年来，随着技术的不断成熟和产品价格的降低，PCD刀具的应用范围逐渐由精密加工领域向一般加工领域扩展。PCD刀具具有高硬度、高导热性、低热胀因数、高弹性模量和低摩擦因数，刀刃锋利，加工精度高，理论上应该能够达到我们的产品图样要求。虽然传统认为采用PCD刀具加工黑色金属时，Fe和C的亲和性产生的冷焊作用会损坏刀具，在700～800℃时将发生碳化，不适合黑色金属加工，但是考虑到现有刀具带内冷装置，加工时由机床冷却系统来的切削液从刀柄和刀具中间的孔通过，此结构可有效降低刀具的切削热。我们估计加工温度在300～400℃左右，不会达到金刚石的碳化温度，因此考虑使用PCD刀片进行试验。

1.试验PCD刀片

我们采用了国产PCD刀片，并对切削参数和刀具几何角度进行优化，试验结果如表3所示。

由表3可知，在加工工件数量相同的情况下，随着切削速度的提高，工件的表面粗糙度值恶化。将线速度确定在80～95m/min进行连续切削加工，工件表面粗糙度状况改善很多，并且大大降低了换刀次数，气门导管底孔加工质量稳定。此外，试验结果还显示，刀具的几何角度对加工精度及刀具耐用度影响很大。对于导管底孔的加工，根据其精度要求及材料成分，确定刀片几何角度如图3所示，PCD刀具如图4所示。

图4  PCD刀具

根据以上试验结果，我们确定的最终切削参数及切削状态是：主轴转速2017r/min；切削速度95m/min；进给量0.11mm/r；切削深度0.25mm；刀具带内冷；刀片6°后角。在这种切削状况下，我们进行了大量缸盖导管底孔的切削验证，试验结果如下：

（1）DEUTZ缸盖导管底孔表面粗糙度为Rz 1.4～2.1mm。

（2）采用PCD试验刀片加工，刀具寿命为200件。

2. 试验结果分析

（1）产品质量 缸盖导管孔粗糙度产品图样要求Rz 10mm；用硬质合金刀片加工，表面粗糙度为Rz 8～13mm；采用PCD试验刀片加工，表面粗糙度为Rz 1.4～2.1mm， 缸盖导管底孔表面粗糙度完全满足DEUTZ产品图样要求。

（2）刀具费用 用硬质合金刀片加工，工序单件成本为15.75元；采用PCD刀片，工序单件成本为4.25元；如生产中采用PCD试验刀片加工，工序单件成本可降低15.75－4.25=11.5元。按年产2万台DEUTZ缸盖计算，一年可节省23万元。

如今，我厂已使用这种国产PCD刀片加工缸盖导管底孔达两年之久，产品质量稳定，表面粗糙度合格，刀具使用寿命较长，完全满足生产要求。

图5  机床精度好，装夹工件的夹具和夹紧装置可靠性强，可以有效地避免加工时产生机械振动从而导致加工刀具的破损 

PCD刀片应用分析

众所周知，PCD刀具一般用于加工有色金属，且应用很广泛，但是很少有人用PCD刀具加工黑色金属。因为，金刚石的缺点是韧性差、热稳定性低且与铁族元素接触时有化学反应，在700～800℃时将碳化(即石墨化)。另外，PCD刀具加工几种常见工件材料（铸铁、碳钢和铝合金）时，刀具表面均有扩散磨损发生，PCD刀具在加工铸铁时在800～1000℃时扩散磨损加剧。

以上两个因素是制约PCD刀具在黑色金属加工领域应用的主要原因。但是，我公司用PCD刀具成功加工了黑色金属，分析原因主要是：

1. 加工中心精度很高

我公司使用的进口卧式加工中心（见图5）具有高的刚度、大的功率和高的转速。机床精度好，装夹工件的夹具和夹紧装置可靠性强，可以有效地避免加工时产生机械振动从而导致加工刀具的破损。

PCD刀具有极高的硬度，但其韧性不如硬质合金，更大大低于高速钢，因此，PCD刀具的主要失效形式为崩刃。崩刃通常由加工中的振动引起，减小刀具悬伸量或主轴长度、提高机床本身的刚性均有助于减小振动。高刚性的加工机床是使用PCD刀具的必备条件。

必须指出，目前生产中不少机床设备还不能满足PCD刀具的加工要求，所以PCD刀具的潜力未能得到充分发挥。今后，随着数控机床（NC）和加工中心（MC）等高刚性、高效设备应用的普及，必将进一步推动PCD刀具的使用。

2. 采用的切削参数比较合理

我们采用95m/min的切削速度较低，不会产生大量的切削热，同时又满足了刀杆的转矩要求。

3. 刀具角度设计合理

PCD刀具在切削时，材料去除量极小（一般在微米级以下），切削时是刀尖部分与工件相互作用，此时刀具切削部分是指实际参加切削的刀尖几何形状部分。目前一般做成直线切削刃和圆弧切削刃两种形式，直线刀具难以加工出超精密表面，圆弧切削刃加工表面质量好，但刃磨比较麻烦，基于表面质量和加工精度的考虑，选择圆弧刃方式，刀具的几何角度设计时选择3°～6°的前角及5°～6°的后角。在实际加工中，我们选择的刀具几何前角为6°，刀具的几何后角为6°。

4. 机夹式枪铰刀采用内冷方式

该刀具加工时的冷却方式是内冷，加工时用加工中心冷却系统来的切削液从机夹式枪铰刀的刀柄和刀具中间的孔通过，此结构可有效降低PCD刀具的切削热量。

合理的切削参数及内冷加工方式，令DEUTZ缸盖生产线能始终保证稳定在300～400℃左右加工缸盖导管底孔。

结语

根据我公司缸盖线上PCD刀具的试验、验证及使用情况分析，我们认为PCD刀具不但适合加工非金属材料、有色金属及其合金材料，而且在黑色金属加工领域也有很大的潜力，其应用领域被大大拓展。