在歐洲，由于汽油價(jià)格昂貴，尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，汽車(chē)制造商對(duì)采用緊密石墨鑄鐵（CompactedGraphiteIron，CGI）代替普通灰鑄鐵制造汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體和缸蓋具有濃厚興趣。采用CGI材料可制造薄壁結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和汽缸體，其缸壁可承受活塞工作時(shí)產(chǎn)生的巨大壓力而不會(huì)膨脹變形，這種結(jié)構(gòu)的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)具有重量輕、馬力大、燃料效率高、尾氣排放少等優(yōu)點(diǎn)。荷蘭卡車(chē)制造商DAFTruckNV公司用CGI鑄鐵制造的6缸、12.6升新型發(fā)動(dòng)機(jī)的功率達(dá)530馬力，比采用灰鑄鐵制造的同類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率提高了50馬力。在北美，采用CGI鑄鐵制造的發(fā)動(dòng)機(jī)可達(dá)到2005尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，由于CGI缸壁優(yōu)異的抗膨脹變形能力，大大減少了發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的“竄漏”現(xiàn)象，可防止未完全燃燒的廢氣通過(guò)活塞環(huán)泄漏。
轎車(chē)制造商奧迪（Audi）公司的柔性制造單元每年加工1萬(wàn)件CGIV8發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，由于采用常規(guī)刀具加工，刀具費(fèi)用居高不下。由于這些發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于高檔轎車(chē)（在美國(guó)售價(jià)為8萬(wàn)美元），因此較高的刀具費(fèi)用還可以接受。但是，該公司不久要達(dá)到年產(chǎn)20萬(wàn)件CGIV6發(fā)動(dòng)機(jī)殼體（用于其它型號(hào)轎車(chē)）的生產(chǎn)能力，因此，高速加工CGI的生產(chǎn)效率和加工成本就顯得十分重要。
CGI鑄鐵的韌性和加工性能介于灰鑄鐵與可鍛鑄鐵之間，其疲勞強(qiáng)度為灰鑄鐵的1.8倍，拉伸強(qiáng)度及彈性模量分別為灰鑄鐵的1.8倍和1.4倍。CGI鑄鐵材料微觀結(jié)構(gòu)中的石墨組織呈蠕蟲(chóng)狀或珊瑚狀，其切削負(fù)荷比石墨組織呈片狀的灰鑄鐵增大了20％～30％。雖然采用常規(guī)刀具也能對(duì)CGI鑄鐵進(jìn)行鏜削和銑削加工，但只能采用低轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給的切削方式，且刀具壽命很短，這對(duì)于小批量、一次性生產(chǎn)（如NASCAR賽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的加工）是可行的，但對(duì)于大批量發(fā)動(dòng)機(jī)的高效制造，這種切削方式顯然難以滿(mǎn)足加工要求。
在幾年以前，許多機(jī)械制造專(zhuān)家還認(rèn)為高速切削CGI鑄鐵是很難實(shí)現(xiàn)的。而自旋轉(zhuǎn)刀具的應(yīng)用為CGI鑄鐵的高速加工提供了一種有效途徑。自旋轉(zhuǎn)銑削的概念最早由美國(guó)飛機(jī)制造巨頭洛克希德公司（LockheedCorp.）于20世紀(jì)70年代提出，RotaryTechnologies公司對(duì)該技術(shù)加以完善，并由UNOVA’sLambTechnicon公司將其應(yīng)用于CGI鑄鐵的鏜削加工。自旋轉(zhuǎn)刀具是一種采用雙負(fù)切削角的圓形旋轉(zhuǎn)刀具，可有效減輕加工中的摩擦與發(fā)熱，它的應(yīng)用對(duì)未來(lái)幾年汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的改進(jìn)開(kāi)拓了新的途徑。
自旋轉(zhuǎn)鏜刀上設(shè)置有多個(gè)旋轉(zhuǎn)刀夾，每個(gè)刀夾上安裝一個(gè)直徑約27mm的圓形刀片。每把鏜刀上設(shè)置的刀夾/刀片數(shù)量取決于鏜刀直徑，如直徑為76.2mm的鏜刀上通常設(shè)置4個(gè)刀片，直徑為305mm的銑刀上可設(shè)置16個(gè)刀片。自旋轉(zhuǎn)刀片的材料一般為氮化硅陶瓷，高速加工CGI鑄鐵時(shí)也可采用硬質(zhì)合金牌號(hào)刀片。采用倒棱寬度為0.254mm、倒棱角為10°的Si3N4陶瓷刀片可獲得最好的切削效果。
直至不久以前，自旋轉(zhuǎn)刀具并未引起太多人的重視。過(guò)去，自旋轉(zhuǎn)銑刀刀夾軸承及潤(rùn)滑脂的設(shè)計(jì)使刀具系統(tǒng)在加工中容易產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象，近年來(lái)這些問(wèn)題已逐步得到解決。
在20世紀(jì)90年代，機(jī)床制造商向歐洲一家汽車(chē)零件制造商提供了3臺(tái)CNC加工中心，用于加工CGI鑄鐵零件以取代灰鑄鐵零件。工廠采用常規(guī)刀具按加工灰鑄鐵的進(jìn)給量、切削速度等參數(shù)進(jìn)行編程加工時(shí)，刀具很快破損失效。為滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，Lamb公司不得不耗資80萬(wàn)美元為廠家免費(fèi)提供了第四臺(tái)CNC加工中心。此事促使Lamb公司對(duì)CGI鑄鐵加工工藝和刀具進(jìn)行深入研究。不久，Lamb公司確認(rèn)了自旋轉(zhuǎn)刀具高速加工CGI的適用性，并不斷推出新的刀具刃形，以解決刀片周?chē)纳釂?wèn)題。
研究結(jié)果表明，采用常規(guī)刀具加工時(shí)，刀具與CGI工件表面接觸部位以及切屑沿刀具前刀面發(fā)生摩擦處磨損劇烈，其溫度分別比剪切面溫度高出約480℃和150℃，高溫使涂層或未涂層的常規(guī)刀具表面迅速軟化，造成刀具早期失效。而采用自旋轉(zhuǎn)刀具加工時(shí)，旋轉(zhuǎn)刀片可將切屑從切削區(qū)推出，避免刀具與切屑劇烈摩擦而產(chǎn)生大量切削熱，雖然刀具與切屑之間仍需一定的摩擦力以推動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)，但這種摩擦及發(fā)熱與使用常規(guī)刀具相比幾乎可忽略不計(jì)。德國(guó)汽車(chē)制造商奧迪集團(tuán)用常規(guī)刀具加工CGI鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)殼體時(shí)（切削速度800m/min，切削深度1.5mm，每齒進(jìn)給量0.2mm），刀具迅速失效；而采用自旋轉(zhuǎn)刀具以相同切削用量進(jìn)行加工時(shí)，切削15分鐘后刀片切削刃的最大磨損量?jī)H為0.15mm。
戴姆勒-克萊斯勒公司（DaimlerChryslerCorp.）在美國(guó)密歇根州Trenton的發(fā)動(dòng)機(jī)工廠雖然不生產(chǎn)CGI鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，但他們采用自旋轉(zhuǎn)刀具加工灰鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)殼體也取得了非常不錯(cuò)的效益。該廠在年產(chǎn)50萬(wàn)件發(fā)動(dòng)機(jī)殼體（用于Chryslerminivans型轎車(chē)）的生產(chǎn)線上采用自旋轉(zhuǎn)銑刀干銑削加工發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的頂面和底面（目前正在試驗(yàn)加工發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的前面和后面），切削速度約為625m/min，進(jìn)給量為3073mm/min。使用自旋轉(zhuǎn)刀具后，換刀次數(shù)由以前每年697次減少到46次。使用該刀具的唯一不便之處是需要在原有調(diào)刀站內(nèi)對(duì)自旋轉(zhuǎn)刀具的刀片直徑進(jìn)行專(zhuān)門(mén)調(diào)刀。此外，許多原有加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與自旋轉(zhuǎn)刀具的使用也不完全匹配，為此需要對(duì)原有生產(chǎn)線進(jìn)行修改和調(diào)整，雖然這要耗費(fèi)一定的時(shí)間和資金，加上自旋轉(zhuǎn)刀具本身成本也不低（刀片40美元，刀夾225美元），但與使用自旋轉(zhuǎn)刀具可獲得的效益相比，這一切都是值得的。現(xiàn)在每把刀具的加工壽命已由原來(lái)的500件左右提高到5000～7000件。
戴姆勒-克萊斯勒發(fā)動(dòng)機(jī)廠從2000年初開(kāi)始使用自旋轉(zhuǎn)刀具，在此之前，該廠已對(duì)這種刀具進(jìn)行了幾年的試驗(yàn)與評(píng)估。多年來(lái)，自旋轉(zhuǎn)刀具的刀夾軸承發(fā)熱及潤(rùn)滑問(wèn)題一直困擾著技術(shù)人員。隨著新的刀夾軸承材料及潤(rùn)滑脂的出現(xiàn)，加工灰鑄鐵時(shí)的刀夾發(fā)熱問(wèn)題得到了較好解決，但在加工CGI鑄鐵時(shí)仍存在少量的刀夾發(fā)熱現(xiàn)象，采用逆銑法則可較好解決這一問(wèn)題。逆銑加工時(shí)，刀具以較小的切入角（如15°）進(jìn)入切削，切削過(guò)程中，切屑厚度由零逐漸增至最大，這與加工發(fā)動(dòng)機(jī)殼體通常采用的順銑法正好相反，順銑的切入角較大（如90°），切入時(shí)的切深最大，切削過(guò)程中切屑厚度逐漸減小直至為零。對(duì)于常規(guī)刀具而言，逆銑法對(duì)刀具壽命不利，由于刀具向前移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，刀片底部始終與工件發(fā)生摩擦，易造成發(fā)熱和磨損。但是，逆銑對(duì)于自旋轉(zhuǎn)刀具加工則比較有利，因?yàn)樗梢匝娱L(zhǎng)刀夾軸承的壽命，此外，逆銑對(duì)于加工發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的復(fù)雜型面（包括薄壁截面）也很有好處，有助于減輕對(duì)工件的沖擊振動(dòng)，從而獲得較好的加工表面粗糙度。較小的切入角也十分重要，因?yàn)樽孕D(zhuǎn)刀具最常用的Si3N4陶瓷刀片在切削沖擊作用下比硬質(zhì)合金刀片更易發(fā)生破損。
目前，Lamb公司的技術(shù)人員正致力于減小自旋轉(zhuǎn)刀具的刀夾尺寸，現(xiàn)已初步設(shè)計(jì)出一種將直徑減小到約15.24mm的新型刀夾，這種小尺寸刀夾可允許在同一刀體上布置更多刀片。按原來(lái)的自旋轉(zhuǎn)鏜刀及其刀夾設(shè)計(jì)，可加工的最小孔徑為76.3mm，很難用于鏜削汽缸孔以外的其它加工場(chǎng)合，刀夾尺寸減小后，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)更小孔徑的切削加工。對(duì)于自旋轉(zhuǎn)銑刀，新設(shè)計(jì)的刀夾尺寸僅為原刀夾的一半左右，因此可在相同直徑的刀體上增加刀片數(shù)量，從而增大切削工件的進(jìn)給率。這種新型刀夾的開(kāi)發(fā)可大大拓寬自旋轉(zhuǎn)刀具的應(yīng)用范圍。在航空航天業(yè)，需要加工大量鈦合金零件，且較多采用端銑方式，通過(guò)開(kāi)發(fā)小直徑刀夾，可設(shè)計(jì)出小到38mm的小直徑自旋轉(zhuǎn)端銑刀。通過(guò)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)具有正前角或正/負(fù)前角的自旋轉(zhuǎn)刀具，還可將自旋轉(zhuǎn)刀具的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到鋼件和鋁合金工件的高速加工。
許多人認(rèn)為自旋轉(zhuǎn)刀具的使用、維護(hù)和保養(yǎng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，但事實(shí)并非如此。除清潔刀夾外并不需要做大量維護(hù)保養(yǎng)工作，在更換刀片和清潔刀夾后只需通過(guò)刀具背后的小孔加入潤(rùn)滑脂即可。對(duì)一把直徑254mm的13齒自旋轉(zhuǎn)銑刀進(jìn)行換刀安裝耗時(shí)不到半小時(shí)。
Lamb公司表示將進(jìn)一步改進(jìn)自旋轉(zhuǎn)刀具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如新的結(jié)構(gòu)將無(wú)需再對(duì)刀夾軸承加注潤(rùn)滑脂。此外，公司將對(duì)高速銑削CGI鑄鐵時(shí)刀片受熱沖擊作用產(chǎn)生的微裂紋進(jìn)行深入研究。當(dāng)銑刀片在常溫下切入工件材料時(shí)，其溫度急升至約480℃，然后在空氣和切削液作用下迅速冷卻，此時(shí)刀片極易產(chǎn)生熱裂紋。雖然刀片制造商開(kāi)發(fā)了耐熱性能好的硬質(zhì)合金和Si3N4陶瓷刀片，但用自旋轉(zhuǎn)刀片高速切削韌性較好的CGI鑄鐵時(shí)，仍可能產(chǎn)生熱裂紋。
目前，RotaryTechnologies公司擁有用自旋轉(zhuǎn)刀具加工非CGI材料（包括加工發(fā)動(dòng)機(jī)殼體）的技術(shù)專(zhuān)利；而Lamb公司在RotaryTechnologies公司協(xié)助下正致力于自旋轉(zhuǎn)刀夾系統(tǒng)的應(yīng)用，并在全球唯一擁有應(yīng)用自旋轉(zhuǎn)刀具銑削和鏜削CGI鑄鐵材料的技術(shù)專(zhuān)利，因此，此項(xiàng)加工技術(shù)目前僅在Lamb公司制造的機(jī)床上應(yīng)用。
