在发动机制造中，正确的工件结构、良好的表面粗糙度以及零件没有划伤、毛刺，都是重要的质量控制目标。对于大批量生产的高性价比零件来说，要面对这些越来越高的挑战，就需要开发出可靠、高效的刀具，特别是用于双金属材料加工的刀具。

双金属材料是指将其他较软的合金材料环绕(或混合)在较硬的材料周围，在发动机制造中通常是指灰铸铁与铝合金两种材料。这种制造工艺既可以弥补软材料硬度不足的弱点，提高发动机整体运行的稳定性，又可以适当地降低硬材料的加工难度。因此，双金属材料在汽车工业的应用越来越广泛，但也带来了特殊的加工难题。硬质合金刀片虽可以切削50HRC左右的硬质材料，但其在高速铣削硬材料中磨损快，寿命偏低。CBN刀片可以高效切削硬度大于50HRC的硬合金，但在切削双金属材料中的软合金时却可能发生碎裂。为了实现双金属材料的高效加工，需要制定切削方案与加工程序，满足双金属材料的不同属性要求。

双金属加工中的难题

在某款1.5 L发动机缸体的双金属面为机油泵安装面（TC-B面），铝合金部分在缸体上，灰铸铁部分在曲轴孔轴瓦盖上，为直径约为φ14 mm的凸台，如图1所示。为保证零部件的装配精度，该铣削面要求粗糙度误差Rz6.3 mm，平面度误差0.06 mm，垂直度误差0.1/100 mm。轴瓦盖在后半段精加工工序装配到缸体上并进行曲轴孔镗孔，完成镗孔后在下一工序进行双金属面的一次成形精加工，减少夹具、机床等系统误差对平面度误差、垂直度误差等的影响。

图1  某1.5 L发动机双金属加工位置

考虑到双金属面加工的品质与成本控制因素，结合过往缸体—缸盖双金属面的加工实例，一般采用CBN刀片或硬质合金刀片加工双金属材料。CBN刀具在加工塑性大的铝合金时，容易产生积屑瘤，使已加工表面质量恶化，出现较深的刀痕，在实际应用过程中质量不稳定。换刀频次较高，寿命基本在300～600台之间。同时CBN刀具成本高、重磨困难，难以体现其硬度优势，逐渐被淘汰出双金属加工领域。

相反，硬质合金刀具虽然没有CBN刀具硬度高，但其能够兼容铝合金、铸铁两种材料。加上涂层技术的应用，硬质合金刀具表面变得光滑、坚硬，加工更加稳定。因此，经过多次试验，使用了住友的波刃方肩铣方案，采用AXET170504PEFR-S DL1000刀片。该款刀具利用DLC涂层（极光涂层），在硬质合金表面形成光滑坚硬的无氢层，摩擦系数小，耐粘结性能好，适合用于高速、高效加工铝合金等产品。该款刀具投入使用后，寿命波动变小，可稳定保证在500～600台左右。但是，在高速铣削中硬质合金加工灰铸铁磨损快、易崩损的弱点还是存在，刀具磨损后铝合金部分常出现毛刺，影响品质，换刀频繁问题犹存。同时，在该工序中，其他工艺均是加工铝合金，刀具寿命普遍在10 000～20 000台，使用者迫切希望对铣削刀具进行改善。

复合型铣刀的设计与运用

从图1可以看出，本次双金属面加工不同于传统缸体—缸盖结合面加工。后者铸铁部分完全被铝合金包拢，铝合金、铸铁会被同时切削。而前者铸铁部分孤立出来，与铝合金部分处于分离状态，成为一个单独小凸台，在切削加工中有充分的空间不碰到铝合金部分而单独进行加工。根据这一特点，可以设计一款复合铣刀，选用PCD与CBN刀具分别加工铝合金与铸铁，即CBN刀具加工铸铁而不碰到铝合金部分，PCD刀具加工铝合金而不碰到铸铁部分，从而最大限度地发挥两种刀具材料的特性。

按照上述思路，对零件图进行分析。该安装面的工艺主要是保证平面度误差0.06 mm与垂直度误差0.1/100 mm的要求。要实现铸铁与铝合金部分分开加工，需要两者间存在段差来保证刀具不干涉加工。考虑到机床的移动精度，结合平面度误差的要求，段差控制在0.02 mm左右。下面以0.02 mm段差为例来分析段差对双金属面垂直度误差的影响：铸铁凸台中心距离铝合金部分最近距离为42.718 mm，加工后双金属面的垂直度误差为：（0.02/42.718）×100=0.047 mm，仍满足垂直度误差0.1/100 mm的要求。因此，0.02 mm的段差是允许的。

工艺可行性论证后，从加工效率、走刀路径等角度对刀具设计进行细化分析。考虑到图1中缸体右侧铝合金面φ80 mm轮廓要求，铣刀直径需要保证在φ80 mm内。为保证节拍，提高切削效率，选用了φ80 mm的铣刀。铸铁凸台在中间，要实现双金属分开加工，首先要加工铸铁位置。凸台直径为φ14 mm，刀具设计时需要预留出大于14 mm的避空空间进行走刀。如图2所示，中心位置空出φ18.95 mm，使铣削铸铁凸台位置时有足够的空间走刀。φ18.95 mm圆外位置采用4颗CBN刀片，构成内周刃铣刀，用于加工铸铁；φ80 mm外周刃则采用了4颗PCD刀片，用于加工铝合金。完成设计后，对加工铸铁凸台路径进行了分析，铣刀在走刀过程没有干涉，可以进行切削加工。

图2  刀具方案

为保证0.02 mm段差，刀具预调时，保证内周刃CBN刀片低于外周刃PCD刀片0.3^-0.015_-0.025mm，完成轴瓦盖铸铁加工后，机床Z轴首先轴向移动0.3 mm，随后X轴、Y轴联动完成铝合金部分加工。依靠刀具调对与程序补偿，成功保证了铸铁完成面与铝合金完成面留有0.02 mm的段差，避免了双金属材料的同时铣削，充分发挥了CBN切削铸铁、PCD切削铝合金的优势。对比采用硬质合金同时切削双金属的方案（S=1 500 r/min，F=1 575 mm/min），该复合铣刀方案使切削效率得到大幅优化（S=5 000 r/min、F=3 200 mm/min），切削时间节省4.8 s。同时，刀具加工寿命得到大幅提升，寿命由原来的
500～600台提升至10 000台，刀具更换频次明显降低。

结束语

双金属包含两种不同属性的软硬金属材料，其加工一直是困扰发动机加工领域的难题之一。本文主要通过分析双金属面的工艺特点，在满足平面度误差、垂直度误差的要求下，引入了复合铣削的加工方案，将CBN与PCD两种刀具材料组合在一把铣刀上，通过刀具的避空设计以及走刀路径优化，实现双金属的分开加工，极大地改善了刀具加工寿命与品质。同时，也为双金属加工开辟了一条复合加工的思路，对今后双金属加工改善方案有积极的借鉴作用。