切削加工双金属平面的加工形式有多种，其刀具也分为不同的类型，且各有其优劣之处。如何根据企业设备的加工方式、产能的大小选择合理的加工工艺及切削参数，满足二种金属材料的切削性能，达到工艺参数的合理匹配，实现最佳切削的经济性，已成为发动机机加工中值得探索的课题。
随着发动机制造技术的不断提高，发动机零件的材质也在不断更新换代，发动机缸体的材质以铝合金材料替代传统的灰铸铁材料就是其中一例。缸体材质的这一变化，为减少发动机重量、提高发动机的散热性能以及改进汽车前后的重量分布起到了一定的积极作用。
为了保证铝合金材质缸体的缸孔壁具有足够的耐磨性能，降低活塞运动中的摩擦系数，缸孔采用内镶灰铸铁缸套的工艺，缸体上形成了双金属的缸盖结合面（见图1）。在气缸体缸盖结合面的双金属加工中，如何选择合适的加工工艺及刀具来满足产品在平面设计中对纵横直线度，平面的平面度、粗糙度、波纹度，降低孔口及边缘崩口状况等的技术要求，已成为发动机机加工中值得探索的课题。
图1 双金属的缸盖结合面（缸套灰铸铁和缸体铝合金材质）
缸套在铝缸体中的镶嵌方式
目前，灰铸铁材质的缸套在铝缸体中的镶嵌方式基本以下面二种配合工艺为主：
□ 缸套直接浇铸在发动机的铝质件缸体毛坯中；
□ 半成品灰铸铁缸套与铝质缸体的缸孔通过过盈配合的压装工艺来达到二者配合的技术要求。
二种配合工艺各有其优劣之处。前者对浇铸时的缸套定位及缸套与加工中的粗基准位置尺寸有较高的要求，缸套浇铸中产生的一定位移量会让以后加工成品缸体的缸套孔壁产生不匀之状；一定量的位移尺寸会使缸体的缸套在正常加工中出现缸孔的圆度超差、圆柱度不达标，在最终的实际使用中直接影响发动机活塞的运动与密封程度，从而影响到发动机的性能；另外，还会在浇铸中因缸套的相关缺陷而产生一定量的毛坯零件报废。其优点是缸套与缸体的整体配合强度高，能够节省一大笔加工缸套底孔及压装缸套辅机的设备费用。后者的配合工艺则加工工艺复杂，缸套底孔需增加专用设备来完成，缸套的装配过程又需增加众多的辅机设备来安装，企业因此要增加数目不小的设备投资，但其加工质量则明显高于浇铸工艺。
金属面的加工工艺及刀具的选用
对切削过程来说，双金属面切削加工最大的难点是刀具问题。使用同一把刀具加工脆性材料与塑性材料，故对刀具的特性、切削参数等需有合理的折中匹配，方能达到双金属面较为合理接受的工况。目前，国内外基本采用以下三种加工工艺实现双金属面的最终加工，即：PCD磨轮磨削、铣削加磨削（复合磨削刀具既能铣削加工又能磨削加工）、铣削加工。
以上三种加工工艺各有其优缺点，各种刀具的加工特性分析如下：
1. PCD磨轮
PCD磨轮（见图2）加工双金属面能满足加工面的工艺技术要求，耐用度高。但如果磨削余量选择不当（一般为0.12mm左右）则会出现工件烧伤等现象，故往往需与探头（探测被加工面）一起配合使用，以保证合理的磨削余量匹配。但其致命点在短时期内往往反映不出，待使用一段时间后，磨削中产生的细碎粉状才会直接影响到机床的使用寿命与产品的加工精度，导致出现导轨面拉毛以及运动中相互运动件卡死的现象。其次，使用PCD磨轮，刀具在配备上需增加面铣刀盘和探测探头；设备的过滤系统要求也须相应提高，从而设备的购置费用也要相应上升。
图2 PCD磨轮
2. 复合磨削刀盘复合磨削刀盘
将铣削与磨削组合在一把刀盘上，加工零件的耐用度略低于PCD磨轮。除了上面所举磨轮磨削中所产生的致命缺陷外，磨轮圆周上的刀片磨损与PCD磨轮的磨损量不一样也是其劣势之一。在加工缸盖结合面时，刀片的磨损速度远远大于PCD磨轮的磨损速度。当圆周上的刀片磨损时，磨轮的磨削余量渐渐增加，正常设定的磨削余量与圆周上刀片给予的余量不能保持合理的匹配。刀片使用一定时间后，刀片的磨损使磨削余量上升，直接影响到平面的加工精度。为满足磨轮的正常磨削余量，需频繁调换刀片。但随着刀盘的使用时间延续，磨轮在使用过程中，磨轮的厚度也一直在变化之中（见图3中的刀具结构）。每当换上新刀片时，刀片的高度需根据磨轮的高度逐一调整，以保证磨轮的正常磨削量。但每次刀片的调换，磨削余量总要有0.10～0.14mm的余量变化过程。与其他加工方式相比较（见图4），磨削量的稳定性就差了,故这是三种加工工艺中最差的切削刀具。
图3 铣削与磨削组合磨轮
nextpage3. 面铣刀盘（硬质合金/PCD刀盘）
面铣刀盘刀具加工双金属面是目前比较实用的加工方式。其不足之处是刀具耐用度略低，刀具钝化时加工中的缸套边缘会出现崩口现象，因此需合理设定刀具使用寿命。刀具设计时主要考虑如何合理地确定刀盘的直径、刀片的刀尖圆弧尺寸、刀具的主偏角、刀具的切削参数以及被加工材料的切削余量等。加工中刀具的磨损可以通过铣削后探头探测已加工平面的高度来自动补偿下次铣刀盘的铣削位置尺寸，使其达到加工的技术尺寸要求，避免刀片磨损所带来的零件尺寸变化。
铣刀盘刀具的切削参数根据设备的能力、刀片的材质、刀盘的大小而定。一般PCD铣刀盘υc取600～800m/min(加工铝合金材料υc取4000m/min左右)，取0.06～0.08mm/Z；硬质合金铣刀盘υc取250～350m/min(加工灰铸铁材料υc取150～200m/min)，取0.10～0.15mm/Z。
双金属平面的加工探索
双金属平面中的铝合金是一种很容易切削的金属材料，其相对加工性系数K料V＞3.0；而灰铸铁属于切削性能一般的普通材料，其相对加工性系数K料V在 1.0～1.6之间。故确定加工双金属平面的工艺合理性及最终达到的工艺技术要求应该考虑以下几方面：
1. 零件加工中的材料弹性变形量
无论铣削加工还是磨削加工，切削加工后已加工面均会出现弹性变形量。切削加工的材料不同、切削余量不同，其弹性变形量也会有所不同。如果气缸体的缸盖结合面加工后，两种材料不在同一平面，那么就会影响到燃烧室的密封程度，严重时直接影响到使用时的发动机性能。
磨轮磨削与铣削加工的不同之处在于：磨轮磨削面是通过多次的切削、刻划、摩擦抛光、挤压的过程，即由磨轮上不同直径位置的微刃数次重复在一个地方磨削，最终降低已加工面的弹性变形量；而铣削加工刀片只有一次的过程切削，故不能通过重新切削消除已加工面的弹性变形量。所以，应该合理设定刀具的切削角度与切削参数，选择适当的加工余量，使其加工中的加工面达到等高要求，最终消除由已加工面两种不同金属的弹性变形量不同带来的影响。
我们曾经做过一个双金属面的铣削加工试验，试验结果如表所示。实验说明，铣削加工时对于双金属面需摸索试验出最佳匹配的加工余量与刀具的切削角度。
2. 切削加工刀具
目前，加工双金属面的常用刀具有铣削加工的面铣刀盘和磨削加工的PCD磨轮。
因为加工刀具对二种被加工材料的影响所产生的弹性变形量不同，所以对于铣削刀具来说，应该考虑其刀具前角、主偏角、刀尖圆弧半径等。实验表明，选用90°主偏角及比较小的刀尖圆弧能降低刀具对加工面的挤压程度，降低已加工面的弹性变形量。刀片的刀尖圆弧半径大小，会直接影响对加工面的挤压程度，影响加工面的弹性变形量。刀尖的圆弧对加工面的挤压有相当大的影响。当刀尖圆弧半径较大时，切削刃刀尖圆弧处的主偏角变得越来越小，导致对加工面的挤压力上升，圆弧刃处切削层变形增加或引起振动。为了不使对加工面的力增加或者说尽可能将增加量控制在最小，唯一的办法就是减小刀尖圆弧。但太小则会降低刀尖的强度和耐磨性，故一般刀尖圆弧的R值以选择加工预留量的60% 左右为好。
对于磨轮来说，PCD磨轮的众多微刃经过锋利→微刃磨钝→摩擦抛光增强→滑擦挤压→重复加工已加工点，最终消除或者降低已加工面的弹性变形量。加工中的磨损量上升，会导致磨轮的磨削压力增加，易产生螺旋形和工件烧伤。PCD磨轮耐热性较低（700～800℃），切削温度高时会丧失切削能力；金刚石与铁元素的亲和能力又很强，容易造成化学磨损，故采用低转速、低进给解决此问题。磨轮的凹痕设计（见图4）减少了磨轮与工件的接触面积，改善了冷却和排屑条件，降低了磨削时的温度，提高了磨轮的使用寿命。
图4 复合刀盘圆周刀片调换与磨轮的磨损量比较
3. 刀具的锋利与钝化程度
刀具的锋利与钝化程度直接影响着被加工面上的挤压程度。挤压程度的变化会导致两种不同材料的弹性变形量的差异出现新的变化，所以使用中的刀具必须设定合理的刀具耐用度值及合适的加工余量。保证弹性变形后，两种材料的加工表面等高或在一个可接受的范围内趋于等高。
4. 刀具切削时的仰角设定
加工缸体的缸盖结合面时，为了满足加工面的粗糙度和波纹度要求，刀具的仰角设定是一个须特别注意的关键点。磨轮与铣刀盘的仰角设定不一样，磨轮无需仰角是因为磨轮上的微刃排列无规律。若有仰角设置，则会导致加工面粗糙度值上升、平面度超差，故磨轮主轴与被加工面必须垂直。低粗糙度值的磨削，磨轮需有很多等高微刃。在磨轮的很多微刃精细切削和摩擦抛光作用下，被加工面才能形成低粗糙度值表面。磨轮平面上的众多微刃切下加工表面的弹性恢复的微量金属，不致产生隆起和堆积现象，从而大大降低了已加工面的弹性变形量。
而铣削加工刀具的加工面须有一定的仰角。一般可以选择0.02/200的仰角，或设定为产品设计的横向直线度的2/3值，避免已加工面出现网纹，降低粗糙度值，否则加工面粗糙度值会上升。因刀盘设定仰角，已加工面必定出现凹陷面，所以合理设定凹陷值，使产品既能保证直线度要求又能达到粗糙度要求。
5. 粗糙度
在双金属面的加工中，随着粗糙度值的上升，相对应地双金属面也会出现不平的现象。因刀具的钝化直接加剧刀具对加工面的挤压，需控制已加工面的粗糙度值范围，保证双金属面的平面等高要求。
6. 冷却液
磨削加工时，由于被磨削材料为二种不同的材质，存在导热性的差异，可能引起不均匀的热膨胀。所以不论是铣削加工还是磨削加工，均需采用大量的切削液进行冷却，冲走磨屑和碎落的磨粒及切屑，减少粘结与积屑瘤的产生，降低影响加工面形状精度的不利因素。
