汽車工業(yè)對(duì)金剛石和CBN工具的技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)拓展起到了巨大的推動(dòng)作用，并且今后仍將是金剛石和CBN工具的主要應(yīng)用領(lǐng)域。本文討論了汽車工業(yè)的發(fā) 展趨勢(shì)、當(dāng)今的金剛石和CBN工具技術(shù)及其在現(xiàn)代生產(chǎn)線上的應(yīng)用。本文還對(duì)這種預(yù)期將應(yīng)用于未來生產(chǎn)流程的先進(jìn)加工技術(shù)作了概略介紹，并預(yù)測(cè)了金剛石和 CBN工具今后的發(fā)展，這種發(fā)展對(duì)于滿足汽車技術(shù)的未來趨勢(shì)是必不可少的。
　　
　　過去8年來（1997年－2004年），全球汽車總產(chǎn)量增長(zhǎng)了約14％。北美、歐洲和日本的汽車產(chǎn)量增長(zhǎng)很小，而在亞洲和其他地區(qū)，增長(zhǎng)卻非 常顯著。目前最大的汽車生產(chǎn)國(guó)包括美國(guó)、日本、德國(guó)和其他西歐國(guó)家以及中國(guó)。所謂“金磚四國(guó)”（巴西、俄羅斯、印度和中國(guó)）的汽車產(chǎn)量正在顯著增長(zhǎng)，在這 些國(guó)家的營(yíng)銷方針將成為今后幾年增長(zhǎng)戰(zhàn)略的關(guān)鍵因素。
　　
　　如今，汽車制造商的基本戰(zhàn)略是開發(fā)與應(yīng)用可適應(yīng)目前汽車發(fā)展趨勢(shì)（如環(huán)境友好型、節(jié)能型汽車，安全性、信息通訊和全球化等）的各種先進(jìn)技術(shù)。 圖2所示為汽車技術(shù)的各種發(fā)展趨勢(shì)以及源于新的生產(chǎn)要求的加工需求。為了滿足新的生產(chǎn)要求，需要采用高效、靈活和對(duì)環(huán)境友好的制造技術(shù)?？偟膩碚f，要求這 些加工技術(shù)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)高速度、高效率和高精度。考慮到成本因素和市場(chǎng)基礎(chǔ)，目前的主流汽車動(dòng)力系統(tǒng)（由發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)箱組成）在可以預(yù)見的未來預(yù)計(jì)仍將保持其 核心技術(shù)的地位?；旌蟿?dòng)力汽車將發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)配合使用，但電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用使其成本始終居高不下?？上鳒p混合動(dòng)力汽車高成本的技術(shù)進(jìn)步將是決定此類汽車普及 率的一個(gè)關(guān)鍵因素。完全由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的汽車（如燃料電池汽車）也面臨許多問題，其中包括汽車系統(tǒng)的復(fù)雜性、缺乏必需的市場(chǎng)基礎(chǔ)以及高成本等等。在現(xiàn)階 段，推出這些汽車仍將主要基于試驗(yàn)性質(zhì)，其目的是積累所需要的技術(shù)?？傊?，對(duì)這些汽車產(chǎn)品的加工需求包括加工新的形狀、新的材料和超精加工，這些加工技術(shù) 是在傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)箱加工中未曾使用過的。
　　
　　金剛石和CBN工具在汽車工業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀
　　
　　眾所周知，汽車工業(yè)是工具制造商最重要的市場(chǎng)。從近年來（1997年－2005年）日本汽車和工具的年產(chǎn)值變化情況可知，工具總產(chǎn)值的變化與 汽車總產(chǎn)值的變化具有較好的相關(guān)性。2005年與1997年相比，汽車總產(chǎn)值增長(zhǎng)了約13％，而工具總產(chǎn)值增長(zhǎng)了約13.6％。從工具的種類來看，硬質(zhì)合 金工具的產(chǎn)值增長(zhǎng)率居首，其次是金剛石和CBN工具。與之相比，專用工具和磨輪的產(chǎn)值卻有所下降。與硬質(zhì)合金工具相比，金剛石和CBN工具的應(yīng)用范圍較窄 可能是其增長(zhǎng)率較低的原因之一。這也表明，拓展金剛石和CBN工具的應(yīng)用范圍是擴(kuò)大其需求的一個(gè)關(guān)鍵因素。
　　
　　在同一時(shí)期（1997年－2005年），從日本的金剛石和CBN工具年產(chǎn)值的變化情況可知，2005年與1997年相比，金剛石和CBN工具 的總產(chǎn)值僅有微量增長(zhǎng)。其中，CBN工具的產(chǎn)值增長(zhǎng)率最大，約為70％；金剛石刀具次之；接下來是金剛石磨輪。這幾種類型的工具與汽車制造直接相關(guān)。將這 些數(shù)據(jù)與以前的數(shù)據(jù)一起考慮，可以看出，雖然金剛石和CBN工具的應(yīng)用范圍較窄，但它正在不斷拓展。我們還能看到，節(jié)塊式工具、切削刀具和其他工具的產(chǎn)值 在急劇下降，這或許反映出在建筑和公共工程領(lǐng)域的需求正在不斷減少，而這些領(lǐng)域以前是金剛石工具的主要用戶?？梢灶A(yù)期，至少在日本，今后數(shù)年金剛石和 CBN工具在汽車行業(yè)和工業(yè)機(jī)械行業(yè)（以電動(dòng)機(jī)械和類似產(chǎn)品為代表）的市場(chǎng)將不斷擴(kuò)大。
　　
　　對(duì)汽車零部件加工要求的總結(jié)顯示了為滿足產(chǎn)品和生產(chǎn)要求所需要的加工方法。與這些加工方法相關(guān)的工具需求包括這樣一些特性，如高硬度、耐熱性、長(zhǎng)的工具壽命、切削刃的鋒利性和良好的熱傳導(dǎo)性。而金剛石和CBN工具正好能夠提供這些高水平的加工性能。
　　
　　生產(chǎn)系統(tǒng)已從1970年代的機(jī)床流水線發(fā)展到2010年代能夠生產(chǎn)不同品種和不同數(shù)量產(chǎn)品的柔性加工線。在生產(chǎn)系統(tǒng)的這種發(fā)展進(jìn)程中，某些具 有劃時(shí)代意義的技術(shù)進(jìn)步與刀具和磨具有關(guān)。如果沒有金剛石和CBN工具，這些加工技術(shù)將不可能實(shí)現(xiàn)。換句話說，這些年來，許多新的加工技術(shù)都是與金剛石和 CBN工具的進(jìn)步一起開發(fā)和實(shí)施的。
　　
　　金剛石和CBN工具在生產(chǎn)線上的應(yīng)用
　　
　　金剛石和CBN工具在汽車動(dòng)力系統(tǒng)零部件加工中的主要用途：金剛石刀具用于加工鋁合金零件（如氣缸蓋和氣缸體），主要用途是鏜孔和表面精加工 （如端面加工）。而鉆削和粗切加工主要還是用硬質(zhì)合金刀具來完成。CBN刀具用于加工鑄鐵和鋼件（如曲軸和凸輪軸）。金剛石工具用于切削速度相對(duì)較慢的加 工操作（如珩磨和表面精加工）。近年來，硬車削的應(yīng)用也在不斷增多。需要指出的一點(diǎn)是，將金剛石和CBN工具應(yīng)用于難以期望獲得較高加工效率的加工場(chǎng)合， 例如加工淬硬材料和用于高速加工。一般來說，與傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具或白剛玉磨輪相比，金剛石和CBN工具可將切削速度提高2～10倍。由于加工效率與切削 速度成正比，因此在工件材料能以盡可能高的切削速度進(jìn)行加工的情況下，使用金剛石和CBN工具可以獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
　　
　　現(xiàn)將金剛石和CBN工具在生產(chǎn)線上的典型應(yīng)用說明如下。例如，金剛石和CBN工具用于加工氣缸體和氣缸蓋。金剛石和CBN刀具除了用于傳統(tǒng)的 表面精加工和鏜削加工以外，最近已經(jīng)開始用于鉆削和鉸削加工。能夠承受比常規(guī)加工條件更為惡劣加工條件的金剛石和CBN工具正在不斷被開發(fā)出來。
　　
　　用單晶金剛石刀片高精密切削鋁合金工件的應(yīng)用實(shí)例表明，與聚晶金剛石（PCD）刀片相比，單晶金剛石刀片的切削刃更鋒利，硬度也更高，可改善 所獲得的最終表面粗糙度，并能延長(zhǎng)刀具壽命。雖然單晶金剛石刀片的成本約為PCD刀片的3倍，但通過充分發(fā)揮單晶金剛石刀具的性能優(yōu)勢(shì)，仍然能夠獲得非常 不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。
　　
　　用CBN刀片和金剛石珩磨塊進(jìn)行缸孔精加工時(shí)，對(duì)缸孔的精鏜和珩磨加工被集成在一臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行，以提高加工精度和加工效率。鏜孔加工采用PCBN刀具，珩磨加工采用單晶金剛石珩磨塊。兩種加工都使用水溶性冷卻液。
　　
　　用陶瓷結(jié)合劑CBN磨輪進(jìn)行高速磨削加工時(shí)，目前采用的磨削速度為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 速磨削在曲軸的柔性加工（包括軸銷和軸頸的組合磨削）中發(fā)揮了重要作用。雖然高速磨削是提高加工效率的一種有效方式，但該工藝目前仍未獲得廣泛應(yīng)用。高速 磨削的面臨最大問題是確立可達(dá)到令人滿意的可靠性和成本水平的工藝技術(shù)。
　　
　　在不同磨輪速度下，磨削效率與切向磨削力之間的關(guān)系為：切向磨削力隨著磨削效率水平的提高而增大，且其增大速率取決于磨輪速度。法向磨削力也 顯示出相同的變化趨勢(shì)。換句話說，當(dāng)磨輪速度較高時(shí)，磨削力的增大速率較小。我們將這一特性應(yīng)用于生產(chǎn)線上，以200m/s的磨輪速度實(shí)施超高速凸輪磨削 加工。如果能提高用于高速磨削的磨輪性能，就有可能進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍。
　　
　　金剛石和CBN工具加工技術(shù)的最新研究課題
　　
　　用單晶金剛石（SCD）刮削刀片高效精密車削鋁合金所獲得的試驗(yàn)結(jié)果表明，表面粗糙度分別為刀具刀尖圓弧半徑和進(jìn)給率的函數(shù)。當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑 大于10mm時(shí)，可獲得小于Ra0.1μm的表面粗糙度；在0.4mm/rev的高進(jìn)給率下，使用具有大刀尖圓弧半徑的刀具，可獲得Ra0.1μm的表面 粗糙度。這些試驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝能將表面粗糙度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)可以達(dá)到與常規(guī)加工方法相同的高加工效率。
　　
　　用CBN刀片進(jìn)行精密硬車削獲得的試驗(yàn)結(jié)果表明，表面粗糙度是進(jìn)給率的函數(shù)。在該試驗(yàn)中，通過研磨刀具的切削刃，可獲得Ra0.03μm的表 面粗糙度。用該技術(shù)加工一個(gè)環(huán)形無級(jí)變速器（CVT）圓盤的應(yīng)用實(shí)例表明，用硬車削可替代傳統(tǒng)的磨削加工，然后用超精磨削對(duì)圓盤進(jìn)行最終精加工。
　　
　　在車齒加工中用CBN刀具斷續(xù)切削淬硬鋼獲得的試驗(yàn)結(jié)果表明，在車齒加工中，具有傾斜切削刃的刀具朝著工件沿切向進(jìn)給。在切削速度為 300m/min的常規(guī)加工中，刀具在切削加工開始后不久就發(fā)生破損。與之相比，在采用CBN刀具的車齒加工中，按切削長(zhǎng)度計(jì)算的刀具壽命達(dá)到了約 15km。這一結(jié)果表明，該車齒工藝能夠?qū)崿F(xiàn)淬硬鋼的高效斷續(xù)切削。
　　
　　下面介紹對(duì)超高速磨削的一些研究成果。一些典型磨削加工方法的磨削效率與表面粗糙度的關(guān)系表明，采用傳統(tǒng)磨削工藝時(shí)，磨削效率往往會(huì)隨著表面 粗糙度的減小而降低。因此，我們采用了磨輪截頂修形作為改善表面粗糙度的一種方式。并且，我們還發(fā)明了高速磨削和超高速磨削的新概念，作為進(jìn)一步提高磨削 效率的方法。以這種方式，我們努力達(dá)到了類鏡面的表面磨削效果，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了過去難以獲得的更高水平的磨削效率。
　　
　　第一個(gè)應(yīng)用實(shí)例是使用陶瓷結(jié)合劑CBN磨輪以超高的磨輪和工件速度進(jìn)行超高速磨削加工。在磨輪速度為240m/s的周邊磨削中，以加工表面粗 糙度作為進(jìn)給率的函數(shù)。比較在一般工件速度（40m/min）和高工件速度（520m/min）下的表面粗糙度值，結(jié)果表明，在520m/min的高工件 速度下，即使進(jìn)給率（即加工效率）提高4倍以上，表面粗糙度實(shí)際上并無變化，在截面顯微照片上也并未觀測(cè)到白蝕層。換句話說，這些結(jié)果表明，通過同時(shí)提高 磨輪速度和工件速度，能夠?qū)崿F(xiàn)高效加工。
　　
　　第二個(gè)應(yīng)用實(shí)例是使用陶瓷結(jié)合劑CBN磨輪進(jìn)行類鏡面表面的高效磨削。以加工表面粗糙度作為修整速度之比的函數(shù)。在采用0.1mm/rev的 大修整導(dǎo)程時(shí)，表面粗糙度值隨著修整速度之比的增大而增大。反之，采用0.01mm/rev的小修整導(dǎo)程時(shí)，表面粗糙度也并未顯著惡化。顯微照片顯示了當(dāng) 修整導(dǎo)程設(shè)定為0.01mm/rev、修整速度之比分別為0.2和0.8時(shí)的加工變質(zhì)層。在修整速度之比為0.2時(shí)，可以觀察到白蝕層和回火層；而當(dāng)修整 速度之比為0.8時(shí)，這些變質(zhì)層非常小，幾乎難以識(shí)別。通過應(yīng)用這種磨削技術(shù)，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)曲軸及其他零件的類鏡面表面磨削，同時(shí)可獲得與常規(guī)磨削方法相同 的加工效率。
　　
　　金剛石和CBN工具的未來展望
　　
　　汽車工業(yè)與加工技術(shù)相關(guān)的發(fā)展戰(zhàn)略的兩個(gè)主要基礎(chǔ)是全球化和新產(chǎn)品與新技術(shù)的開發(fā)。這兩個(gè)基礎(chǔ)將隨著母技術(shù)（如機(jī)床技術(shù)、工具技術(shù)及其他技 術(shù)）的進(jìn)步而不斷發(fā)展。為了在不久的將來保持競(jìng)爭(zhēng)力，企業(yè)將需要能適應(yīng)不斷發(fā)展的全球化的加工技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)未來的增長(zhǎng)，企業(yè)必須開發(fā)生產(chǎn)新產(chǎn)品的加工技 術(shù)，并擁有在全球范圍實(shí)施這些技術(shù)的各種資源。為了拓展金剛石和CBN工具的市場(chǎng)，需要有與這種技術(shù)進(jìn)步相關(guān)聯(lián)的發(fā)展戰(zhàn)略。
　　
　　有一個(gè)問題是：全球市場(chǎng)的擴(kuò)展空間有多大？對(duì)今后一些年全球汽車保有量的預(yù)測(cè)估計(jì)，2020年的汽車保有量將比目前水平高出約1.3倍。在歐 洲、北美、日本及其他成熟的汽車市場(chǎng)，汽車普及率已經(jīng)超過每二人一輛汽車。而目前全球的汽車普及率約為每十人一輛汽車。這一數(shù)據(jù)表明，在未來一些年，全球 汽車市場(chǎng)仍將繼續(xù)增長(zhǎng)。換句話說，需要制定一種金剛石和CBN工具加工技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略，以應(yīng)對(duì)這種全球范圍的汽車需求增長(zhǎng)。
　　
　　在預(yù)測(cè)金剛石和CBN工具的未來發(fā)展時(shí)，讓我們將考慮問題的視角從數(shù)量的增長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為應(yīng)用范圍的拓展。與汽車動(dòng)力系統(tǒng)主要零部件材料的變化相關(guān) 的金剛石和CBN工具預(yù)測(cè)表明，今后鋁、錳和其他輕質(zhì)合金以及鈦合金、燒結(jié)合金及其他高強(qiáng)度合金將越來越多地用作動(dòng)力系統(tǒng)零部件的材料。因此，能夠加工這 些材料的金剛石工具預(yù)期將有非常大的增長(zhǎng)。
　　
　　對(duì)未來汽車技術(shù)發(fā)展預(yù)測(cè)表明，汽車技術(shù)將從目前的汽油和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸演變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)輔助、混合動(dòng)力，然后進(jìn)一步發(fā)展為燃料電池組。因此將需要開發(fā)與這種變化相關(guān)的金剛石和CBN工具加工新技術(shù)。
　　
　　根據(jù)預(yù)測(cè)，汽車制造商的短期增長(zhǎng)和中長(zhǎng)期增長(zhǎng)都將繼續(xù)看好。筆者認(rèn)為，可以預(yù)期，通過緊跟汽車技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，拓展加工應(yīng)用范圍，金剛石和 CBN工具加工技術(shù)也將獲得進(jìn)一步發(fā)展。筆者描繪了汽車行業(yè)的某些發(fā)展趨勢(shì)，并從汽車制造商的觀點(diǎn)介紹了相關(guān)的金剛石和CBN工具加工技術(shù)。希望汽車行業(yè) 與金剛石和CBN工具行業(yè)今后繼續(xù)攜手合作、共同發(fā)展。
　　
　　作者：張憲 編譯