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汽车工业对金刚石和CBN工具的技术进步和市场拓展起到了巨大的推动作用，并且今后仍将是金刚石和CBN工具的主要应用领域。本文讨论了汽车工业的发展趋势、当今的金刚石和CBN工具技术及其在现代生产线上的应用。本文还对这种预期将应用于未来生产流程的先进加工技术作了概略介绍，并预测了金刚石和CBN工具今后的发展，这种发展对于满足汽车技术的未来趋势是必不可少的。
图 1所示为过去8年来(1997年～2004年)，全球汽车年产量的变化情况(按世界个主要地区分类)。与8年前相比，汽车总产量增长了约14%。北美、欧洲和日本的汽车产量增长很小，而在亚洲和其他地区，增长却非常显著。目前最大的汽车生产国包括美国、日本、德国和其他西欧国家以及中国。所谓“金砖四国” (巴西、俄罗斯、印度和中国)的汽车产量正在显著增长，在这些国家的营销方针将成为今后几年增长战略的关键因素。
图1 全球汽车年产量(1997-2004)
如今，汽车制造商的基本战略是开发与应用可适应目前汽车发展趋势(如环境友好型、节能型汽车，安全性、信息通讯和全球化等)的各种先进技术。图2所示为汽车技术的各种发展趋势以及源于新的生产要求的加工需求。为了满足新的生产要求，需要采用高效、灵活和对环境友好的制造技术。图2列举的是所需要的加工技术的某些重要方面。总的来说，要求这些加工技术应能实现高速度、高效率和高精度。考虑到成本因素和市场基础，目前的主流汽车动力系统(由发动机和传动箱组成)在可以预见的未来预计仍将保持其核心技术的地位。混合动力汽车将发动机与电动机配合使用，但电动机的应用使其成本始终居高不下。可削减混合动力汽车高成本的技术进步将是决定此类汽车普及率的一个关键因素。完全由电动机提供动力的汽车(如燃料电池汽车)也面临许多问题，其中包括汽车系统的复杂性、缺乏必需的市场基础以及高成本等等。在现阶段，推出这些汽车仍将主要基于试验性质，其目的是积累所需要的技术。总之，对这些汽车产品的加工需求包括加工新的形状、新的材料和超精加工，这些加工技术是在传统的发动机和传动箱加工中未曾使用过的。
图 2 汽车技术发展趋势以及满足新的生产要求和新产品所需的加工技术
金刚石和CBN工具在汽车工业的技术现状
图 3所示为近年来(1997年－2005年)日本汽车和工具的年产值变化情况。众所周知，汽车工业是工具制造商最重要的市场。正如图3所示，工具总产值的变化与汽车总产值的变化具有较好的相关性。2005年与1997年相比，汽车总产值增长了约13%，而工具总产值增长了约13.6%。从工具的种类来看，硬质合金工具的产值增长率居首，其次是金刚石和CBN工具。与之相比，专用工具和磨轮的产值却有所下降。与硬质合金工具相比，金刚石和CBN工具的应用范围较窄可能是其增长率较低的原因之一。这也表明，拓展金刚石和CBN工具的应用范围是扩大其需求的一个关键因素。
图3 日本汽车和工具的年产值
图4 日本金刚石和CBN工具的年产值
图4所示为同一时期(1997年－2005年)从日本的金刚石和CBN工具年产值的变化情况。2005年与1997年相比，金刚石和CBN工具的总产值仅有微量增长。其中，CBN工具的产值增长率最大，约为70%；金刚石刀具次之；接下来是金刚石磨轮。这几种类型的工具与汽车制造直接相关。将这些数据与以前的数据一起考虑，可以看出，虽然金刚石和CBN工具的应用范围较窄，但它正在不断拓展。我们还能看到，节块式工具、切削刀具和其他工具的产值在急剧下降，这或许反映出在建筑和公共工程领域的需求正在不断减少，而这些领域以前是金刚石工具的主要用户。可以预期，至少在日本，今后数年金刚石和CBN工具在汽车行业和工业机械行业(以电动机械和类似产品为代表)的市场将不断扩大。
图 5是对汽车零部件加工要求的总结显示了为满足产品和生产要求所需要的加工方法。与这些加工方法相关的工具需求包括这样一些特性，如高硬度、耐热性、长的工具寿命、切削刃的锋利性和良好的热传导性。而金刚石和CBN工具正好能够提供这些高水平的加工性能。
图5 汽车零部件的加工需求
图6 生产动力系统零部件的金刚石和CBN工具加工技术发展历程
图6所示为生产汽车动力系统零部件的金刚石和CBN工具加工技术的发展历程。生产系统已从1970年代的机床流水线发展到2010年代能够生产不同品种和不同数量产品的柔性加工线。在生产系统的这种发展进程中，某些具有划时代意义的技术进步与刀具和磨具有关。如果没有金刚石和CBN工具，这些加工技术将不可能实现。换句话说，这些年来，许多新的加工技术都是与金刚石和CBN工具的进步一起开发和实施的。
金刚石和CBN工具在生产线上的应用
图 7所示为金刚石和CBN工具在汽车动力系统零部件加工中的主要用途。金刚石刀具用于加工铝合金零件(如气缸盖和气缸体)，主要用途是镗孔和表面精加工(如端面加工)。而钻削和粗切加工主要还是用硬质合金刀具来完成。CBN刀具用于加工铸铁和钢件(如曲轴和凸轮轴)。金刚石工具用于切削速度相对较慢的加工操作(如珩磨和表面精加工)。近年来，硬车削的应用也在不断增多。需要指出的一点是，将金刚石和CBN工具应用于难以期望获得较高加工效率的加工场合，例如加工淬硬材料和用于高速加工。图8所示为将金刚石和CBN工具应用于与切削速度有关的各种不同的工件材料。一般来说，与传统的硬质合金刀具或白刚玉磨轮相比，金刚石和CBN工具可将切削速度提高2～10倍。由于加工效率与切削速度成正比，因此在工件材料能以尽可能高的切削速度进行加工的情况下，使用金刚石和CBN工具可以获得显著的经济效益。
图7 金刚石和CBN工具在汽车动力系统零部件加工中的主要用途
图8 应用金刚石和CBN工具加工不同的工件材料
图9 金刚石和CBN工具用于加工汽缸体和汽缸盖
图10 用单晶金刚石刀片高精密切削铝合金工件
现将金刚石和CBN工具在生产线上的典型应用说明如下。图9所示为金刚石和 CBN工具用于加工气缸体和气缸盖。金刚石和CBN刀具除了用于传统的表面精加工和镗削加工以外，最近已经开始用于钻削和铰削加工。能够承受比常规加工条件更为恶劣加工条件的金刚石和CBN工具正在不断被开发出来。
图10所示为用单晶金刚石刀片高精密切削铝合金工件的应用实例。与聚晶金刚石(PCD)刀片相比，单晶金刚石刀片的切削刃更锋利，硬度也更高，可改善所获得的最终表面粗糙度，并能延长刀具寿命。虽然单晶金刚石刀片的成本约为PCD刀片的3倍，但通过充分发挥单晶金刚石刀具的性能优势，仍然能够获得非常不错的经济效益。
图 11所示为用CBN刀片和金刚石珩磨块进行缸孔精加工的应用实例。对缸孔的精镗和珩磨加工被集成在一台机床上进行，以提高加工精度和加工效率。镗孔加工采用PCBN刀具，珩磨加工采用单晶金刚石珩磨块。两种加工都使用水溶性冷却液。
图11 用CBN刀片和金刚石珩磨头进行缸孔精加工
图12 用陶瓷结合剂CBN磨轮进行高速磨削
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图13 磨轮速度对磨削性能的影响
图12所示为用陶瓷结合剂CBN磨轮进行高速磨削加工的应用实例。目前采用的磨削速度为 50～200m/sec。由于采用了更高的磨削速度因而提高了加工效率，高速磨削在曲轴的柔性加工(包括轴销和轴颈的组合磨削)中发挥了重要作用。虽然高速磨削是提高加工效率的一种有效方式，但该工艺目前仍未获得广泛应用。高速磨削的面临最大问题是确立可达到令人满意的可靠性和成本水平的工艺技术。
图 13所示为在不同磨轮速度下磨削效率与切向磨削力之间的关系。切向磨削力随着磨削效率水平的提高而增大，且其增大速率取决于磨轮速度。法向磨削力也显示出相同的变化趋势。换句话说，当磨轮速度较高时，磨削力的增大速率较小。我们将这一特性应用于生产线上，以200m/s的磨轮速度实施超高速凸轮磨削加工。如果能提高用于高速磨削的磨轮性能，就有可能进一步拓展其应用范围。
金刚石和CBN工具加工技术的最新研究课题
图 14所示为用单晶金刚石(SCD)刮削刀片高效精密车削铝合金所获得的试验结果。如图14(a)和 (b)所示，表面粗糙度分别为刀具刀尖圆弧半径和进给率的函数。图14(a)表明，当刀尖圆弧半径大于10mm时，可获得小于Ra0.1µm的表面粗糙度；图14(b)表明，在0.4mm/rev的高进给率下，使用具有大刀尖圆弧半径的刀具，可获得Ra0.1µm的表面粗糙度。这些试验结果表明，该工艺能将表面粗糙度提高一个数量级，同时可以达到与常规加工方法相同的高加工效率。<
(a)尖圆弧半径与表面粗糙度
(b) 进给率与表面粗糙度
图14 用SCD刮削刀片高效精密车削铝合金
图 15所示为用CBN刀片进行精密硬车削获得的试验结果。图15表明，表面粗糙度是进给率的函数。在该试验中，通过研磨刀具的切削刃，可获得 Ra0.03µm的表面粗糙度。用该技术加工一个环形无级变速器(CVT)圆盘的应用实例表明，用硬车削可替代传统的磨削加工，然后用超精磨削对圆盘进行最终精加工。
图15 进给率与表面粗糙度的关系及环形CVT圆盘的加工
图16 用CBN刀具对淬硬钢进行车齿加工
图16所示为在车齿加工中用CBN刀具断续切削淬硬钢获得的试验结果。如图中右上方的图片所示，在车齿加工中，具有倾斜切削刃的刀具朝着工件沿切向进给。在切削速度为300m/min的常规加工中，刀具在切削加工开始后不久就发生破损。与之相比，在采用CBN刀具的车齿加工中，按切削长度计算的刀具寿命达到了约15km。这一结果表明，该车齿工艺能够实现淬硬钢的高效断续切削。
下面介绍对超高速磨削的一些研究成果。图17所示为一些典型磨削加工方法的磨削效率与表面粗糙度的关系。采用传统磨削工艺时，磨削效率往往会随着表面粗糙度的减小而降低。因此，我们采用了磨轮截顶修形作为改善表面粗糙度的一种方式。并且，我们还发明了高速磨削和超高速磨削的新概念，作为进一步提高磨削效率的方法。以这种方式，我们努力达到了类镜面的表面磨削效果，同时实现了过去难以获得的更高水平的磨削效率。
图17 用CBN磨轮进行超高速磨削加工
图18 用陶瓷结合剂CBN磨轮进行超高速和快速转动磨削加工
图19 用陶瓷结合剂CBN磨轮进行类镜面表面的高效磨削
图20 汽车工业发展战略
第一个应用实例是使用陶瓷结合剂CBN磨轮以超高的磨轮和工件速度进行超高速磨削加工。如图18所示，在磨轮速度为240m/s的周边磨削中，以加工表面粗糙度作为进给率的函数。比较在一般工件速度(40m /min)和高工件速度(520m/min)下的表面粗糙度值，结果表明，在520m/min的高工件速度下，即使进给率(即加工效率)提高4倍以上，表面粗糙度实际上并无变化，在截面显微照片上也并未观测到白蚀层。换句话说，这些结果表明，通过同时提高磨轮速度和工件速度，能够实现高效加工。
第二个应用实例是使用陶瓷结合剂CBN磨轮进行类镜面表面的高效磨削。如图19所示，以加工表面粗糙度作为修整速度之比的函数。在采用0.1mm/rev的大修整导程时，表面粗糙度值随着修整速度之比的增大而增大。反之，采用0.01mm/rev的小修整导程时，表面粗糙度也并未显著恶化。图上方的显微照片显示了当修整导程设定为0.01mm/rev、修整速度之比分别为0.2和0.8时的加工变质层。在修整速度之比为0.2时，可以观察到白蚀层和回火层；而当修整速度之比为0.8时，这些变质层非常小，几乎难以识别。通过应用这种磨削技术，预计可实现曲轴及其他零件的类镜面表面磨削，同时可获得与常规磨削方法相同的加工效率。
金刚石和CBN工具的未来展望
图20所示为汽车工业与加工技术相关的发展战略。该战略的两个主要基础是全球化和新产品与新技术的开发。这两个基础将随着母技术(如机床技术、工具技术及其他技术)的进步而不断发展。为了在不久的将来保持竞争力，企业将需要能适应不断发展的全球化的加工技术。为了实现未来的增长，企业必须开发生产新产品的加工技术，并拥有在全球范围实施这些技术的各种资源。为了拓展金刚石和CBN工具的市场，需要有与这种技术进步相关联的发展战略。
有一个问题是：全球市场的扩展空间有多大？图21所示为对今后一些年全球汽车保有量的预测估计，2020年的汽车保有量将比目前水平高出约1.3倍。在欧洲、北美、日本及其他成熟的汽车市场，汽车普及率已经超过每二人一辆汽车。而目前全球的汽车普及率约为每十人一辆汽车。这一数据表明，在未来一些年，全球汽车市场仍将继续增长。换句话说，需要制定一种金刚石和 CBN工具加工技术的发展战略，以应对这种全球范围的汽车需求增长。
图21 全球汽车保有量预测
图22 动力系统零部件材料的变化预期
在预测金刚石和CBN工具的未来发展时，让我们将考虑问题的视角从数量的增长转换为应用范围的拓展。图22所示为与汽车动力系统主要零部件材料的变化相关的金刚石和CBN工具预期。据预测，今后铝、锰和其他轻质合金以及钛合金、烧结合金及其他高强度合金将越来越多地用作动力系统零部件的材料。因此，能够加工这些材料的金刚石工具预期将有非常大的增长。
图23所示为对未来汽车技术发展预测的一些例子。据预测，汽车技术将从目前的汽油和柴油发动机逐渐演变为电动机辅助、混合动力，然后进一步发展为燃料电池组。因此将需要开发与这种变化相关的金刚石和CBN工具加工新技术。
图23
根据预测，汽车制造商的短期增长和中长期增长都将继续看好。笔者认为，可以预期，通过紧跟汽车技术发展趋势，拓展加工应用范围，金刚石和CBN工具加工技术也将获得进一步发展。笔者描绘了汽车行业的某些发展趋势，并从汽车制造商的观点介绍了相关的金刚石和CBN工具加工技术。希望汽车行业与金刚石和CBN工具行业今后继续携手合作、共同发展。
本文作者:张宪(译)
原载:《工具展望》2008年第3期
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