汽缸體切削加工過程中的刀具優(yōu)化

蘭天旭

(北京汽車動(dòng)力總成有限公司，北京 101108)

金屬切削加工過程是一個(gè)多種不確定因素共同作用的過程，刀具和切削參數(shù)作為切削過程的重要影響因素在產(chǎn)品制造過程中起著舉足輕重的作用。刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)及切削參數(shù)的優(yōu)劣直接影響到加工的質(zhì)量和效率，采用合理的切削加工參數(shù)可以充分發(fā)揮機(jī)床和刀具的性能。刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)及切削參數(shù)優(yōu)化已經(jīng)成為切削加工研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，很多高校和公司都已經(jīng)投入了大量的人力和財(cái)力進(jìn)行刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)及切削參數(shù)優(yōu)化的研究，部分已經(jīng)取得了一定的成果［1］。

我公司B 系列發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線采用國(guó)際先進(jìn)機(jī)床設(shè)備，為了充分發(fā)揮機(jī)床的性能，銑刀選擇了山特維克和肯納，鉆頭、鉸刀、絲錐選擇鈷領(lǐng)，鏜刀選擇瑪帕，并使用了瓦爾特公司生產(chǎn)的展開式鏜刀。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中還是出現(xiàn)問題，為滿足生產(chǎn)需要，對(duì)部分刀具進(jìn)行了優(yōu)化。

1 影響刀具切削過程的主要因素

在金屬加工過程中，影響切削過程的因素很多，如機(jī)床功率、主軸跳動(dòng)、冷卻壓力，切削液類型及濃度等，而最顯著的是切削參數(shù)及刀具幾何結(jié)構(gòu)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，要根據(jù)因素整改時(shí)間的長(zhǎng)短和成本來決定先更改哪個(gè)因素，是臨時(shí)性更改還是永久性更改。

在眾多影響因素中，切削參數(shù)的更改是最直接、最快的解決方式，但是這些因素對(duì)刀具壽命影響非常大，在不得已的情況下，切削參數(shù)必須選擇在廠家推薦值和經(jīng)驗(yàn)值的合理區(qū)間內(nèi)。刀具幾何結(jié)構(gòu)一般指:刀具前角，影響切削力大小，根據(jù)加工性質(zhì)合理選擇;后角，與前角一起影響刀尖強(qiáng)度;刃傾角，影響排屑方向;主偏角，影響受力方向;副偏角，影響加工表面質(zhì)量［2-3］。除了以上的角度之外，在不同的刀具中，幾何結(jié)構(gòu)有很大差異，具體因素在優(yōu)化實(shí)例中體現(xiàn)。

2 面銑刀的優(yōu)化

2.1 面銑刀部分結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)銑削的影響

面銑刀的主偏角決定切削力的方向，當(dāng)主偏角為45°的時(shí)候，刀具所受的切削力在軸向和徑向方向是相同的，隨著主偏角的增大，刀具所受的徑向力變大，軸向力變小;反之，徑向力變小，軸向力變大［2-3］。除了影響刀具受力外，還對(duì)加工表面的粗糙度有一定的影響:

其中:Rmax為加工表面最大粗糙度值，f 為進(jìn)給量;kr為主偏角;為副偏角。

面銑刀的副偏角影響切削加工殘留高度，減小副偏角可以減小加工表面的粗糙度值，但是副偏角過小會(huì)增加刀具與已加工表面的摩擦，影響刀具的壽命，同時(shí)，增大副偏角會(huì)降低刀片的強(qiáng)度，也影響刀具的壽命［4］。

刀片的前角由加工性質(zhì)決定，前角越大，刀片越鋒利，刀片的強(qiáng)度越小;反之，刀片越鈍，刀片強(qiáng)度越大。在粗加工過程中，刀片的切削深度較大而且不均勻，刀片受到的切削力也不均勻，為了保證刀片的強(qiáng)度，一般選擇較小前角的刀片或者負(fù)前角刀片，精加工過程中，切削深度較小，刀片受力較小，一般根據(jù)加工材料的硬度選擇較大前角的刀片［5］。

刀尖圓角半徑同樣由加工性質(zhì)決定，粗加工對(duì)表面粗糙度的要求不高，一般選擇刀尖圓角半徑較小的刀片;精加工對(duì)表面粗糙度的要求較高，一般選擇刀尖圓角半徑較大的刀片，具體參考公式(2)。當(dāng)工件的表面粗糙度要求很高，但還不至于使用磨削的時(shí)候，一般選擇修光刃刀片(見圖1)，修光刃的刀尖型式基本設(shè)計(jì)思想是在標(biāo)準(zhǔn)刀片的最大允許刀尖半徑公差范圍內(nèi)調(diào)整刀尖的幾何形狀，使其近似于橢圓形狀(見圖2)，這樣就可以不降低進(jìn)給，減小副偏角的角度來減小加工表面的粗糙度值。

其中，Rmax為最大粗糙度值;f 為進(jìn)給量;re為刀尖圓角半徑。

在刀具結(jié)構(gòu)中，除了以上內(nèi)容，刀片的裝夾方式對(duì)切削的影響也很大。在實(shí)際中，刀片的裝夾分為平裝和立裝，具體見圖3 與圖4。

平裝結(jié)構(gòu)銑刀的刀體結(jié)構(gòu)工藝性好，容易加工，并可采用無孔刀片。切削力方向的硬質(zhì)合金截面較小，故平裝結(jié)構(gòu)的銑刀一般用于輕型和中量型的銑削加工。立裝結(jié)構(gòu)的刀片由于刀片采用切削力夾緊，夾緊力隨切削力的增大而增大，因此可省去夾緊元件，增大容屑空間。由于刀片切向安裝，在切削力方向的硬質(zhì)合金截面較大，因而可進(jìn)行大切深、大走刀量切削，這種銑刀適用于重型和中量型的銑削加工。

2.2 面銑刀切削參數(shù)對(duì)切銑削的影響

切削速度是切削參數(shù)中對(duì)刀片壽命影響最重要的一個(gè)因素，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)切削參數(shù)在合理范圍內(nèi)提高20%，刀具壽命將下降50%［6］。進(jìn)給量小，后刀面磨損大，刀具壽命大幅降低。進(jìn)給量大，切削溫度升高，后刀面磨損也會(huì)增大，但較之切削速度對(duì)刀具壽命的影響要小，當(dāng)然進(jìn)給量大，加工效率也高。根據(jù)公式(1)和公式(2)可以看出，進(jìn)給量太大，表面粗糙度越不好。切削深度的變化一般對(duì)刀具壽命影響不大，但要注意，切削深度較小或微小時(shí)，會(huì)造成不是切削而是刮擦或只是切削到工件表面的硬化層，刀具壽命就會(huì)下降。在粗開或加工處理后的工件時(shí)，應(yīng)該在機(jī)床功率和工藝允許的范圍內(nèi)盡量加大切削深度，尤其是在加工缸體表面時(shí)，要注意氧化皮對(duì)刀具的損傷。

除了刀具本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)與切削參數(shù)對(duì)銑削過程影響較大之外，在銑平面時(shí)的銑削方式對(duì)銑削過程的影響也非常大。在精加工過程中，一般把順銑作為首要選擇。

2.3 面銑刀優(yōu)化的實(shí)例

我公司缸體前后端面及頂面采用一把面銑刀加工，前后端面要求粗糙度為Ra1 ～4 μm，頂面粗糙度要求≤Ra2.5 μm。前后端面由于凸臺(tái)比較多，斷續(xù)加工嚴(yán)重，而頂面只有4 個(gè)缸孔、幾個(gè)銷孔和螺栓孔，屬于連續(xù)穩(wěn)定加工。

最初使用的刀具為山特維克590 - 200Q60S -11M 刀盤，主偏角為90°，共計(jì)18 個(gè)刀片，其中16 個(gè)普通刀片為R590 -110508H-KL 1020，每個(gè)刀片有兩個(gè)切削刃，兩個(gè)修光刃刀片為R590 -110504H - KTW 1020，每個(gè)刀片只有一個(gè)切削刃。加工頂面的切削參數(shù)為V=255 m/min，F(xiàn) =937 mm/min，加工前后端面的切削參數(shù)為V =255 m/min，F(xiàn) =640 mm/min。加工壽命大約為70 件，之后出現(xiàn)修光刃磨損嚴(yán)重，表面粗糙度不合格(粗糙度約為Ra3.0 μm)，缸體頂面有崩邊情況(見圖5)。

分析原因?yàn)樾薰馊械镀p(普通切削刃刀片幾乎沒有磨損)，沒有起到修光作用，而且磨損的修光刃劃傷缸體頂面。由于刀具主偏角為90°，刀具在離開缸體頂面時(shí)的切削力全部為橫向切削力，過大的拉力使頂面最后的加工余量剝落，造成表面有崩邊情況。

根據(jù)分析的原因，將刀盤上的修光刃刀片去掉，全部換成普通切削刃刀片，刀片更改為345R -1305M -KL 4230，每個(gè)刀片有8 個(gè)切削刃，并使用45°主偏角刀盤，刀盤更改為345 -200Q60 -13H，切削頂面和前后端面的參數(shù)改為一致，即V =300 m/min，F(xiàn) =1 146 mm/min。由于刀具齒數(shù)較多，刀具的每齒進(jìn)給量相對(duì)變小，這樣小的進(jìn)給量彌補(bǔ)了沒有修光刃造成的粗糙度差的缺陷，而且小的進(jìn)給量可以減小刀具離開缸體頂面時(shí)的切削力，45°主偏角又將切削力分解到兩個(gè)方向，避免了缸體頂面的剝落(見圖6)。在首件加工檢測(cè)后，缸體頂面和前后端面的粗糙度大約為Ra1.1 μm，在加工120 件左右的時(shí)候，缸體頂面的粗糙度達(dá)到Ra2.3 μm 左右，將刀具換下。與之前的刀具相比，壽命明顯提高，而且所使用的刀盤比原來的刀盤價(jià)格大大降低，刀片使用數(shù)量減小，尤其是去掉了修光刃刀片，顯著地降低了刀具的成本。

3 鉆頭的優(yōu)化

3.1 鉆頭部分結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鉆削的影響

鉆頭的結(jié)構(gòu)方式對(duì)鉆削的影響非常大，因?yàn)殂@頭的排屑空間有限，在鉆頭的槽型、刃型等設(shè)計(jì)的過程中，要充分考慮被加工材料及加工情況。國(guó)內(nèi)外著名的鉆頭公司，都針對(duì)不同材料及不同的深徑比(孔深與直徑的比值)設(shè)計(jì)出不同的刀具刃型及槽型。例如，肯納的波刃鉆和鈷領(lǐng)的E 型鉆尖型式，可以很好地解決加工過程中鉆孔鉆偏的問題，鈷領(lǐng)的D 型鉆尖型式可以很好地減小鉆頭在加工鑄鐵時(shí)鉆尖的磨損。直槽鉆和槍鉆可以很好地解決麻花鉆加工過程中出現(xiàn)位置度不好的現(xiàn)象，但是加工效率會(huì)稍微低于麻花鉆。

鉆頭的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)切削也有很大的影響。后角過小會(huì)導(dǎo)致鉆頭后刀面磨損嚴(yán)重，降低鉆頭的壽命，根據(jù)加工情況一般選擇7 ～13°。刃口處理得過小或者過大也會(huì)導(dǎo)致鉆頭的崩刃，加工鑄鐵的鉆頭刃口一般處理為0.05 ～0.07 mm。棱邊過寬會(huì)導(dǎo)致孔壁不光滑，增大切削阻力，造成刀具的折斷，為了獲得較好的孔壁，部分公司推出了雙棱邊鉆頭。國(guó)內(nèi)外大部分生產(chǎn)鉆頭的公司都會(huì)根據(jù)各自的特點(diǎn)制定與本公司相符的鉆頭幾何結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 切削參數(shù)對(duì)鉆削的影響

鉆頭加工鑄鐵使用HSK 熱漲刀柄的切削速度一般為70 ～90 m/min，過高的切削速度會(huì)導(dǎo)致鉆頭折斷或者崩刃，大大地降低鉆頭的壽命，過低的切削速度會(huì)加劇鉆頭的磨損。進(jìn)給量太小會(huì)導(dǎo)致后刀面磨損，降低鉆頭的壽命，進(jìn)給量太大可能造成崩刃或者鉆頭折斷。進(jìn)給量一般根據(jù)鉆頭的型式、后角、直徑進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

3.3 鉆頭優(yōu)化的實(shí)例

我公司加工汽缸體瓦蓋安裝銷孔預(yù)孔的鉆頭，最初選擇使用普通階梯麻花鉆(見圖7)，刀具后角為9°，使用的切削參數(shù)為轉(zhuǎn)速2 800 r/min，進(jìn)給量為900 mm/min。刀柄使用鈷領(lǐng)的熱漲非標(biāo)刀柄，刀柄懸長(zhǎng)超過150 mm。由于刀具(含刀柄)的懸長(zhǎng)過長(zhǎng)，在較高的切削參數(shù)影響下，麻花鉆在切入的時(shí)候位置容易偏移，導(dǎo)致銷孔的位置度不好。

造成這種情況的原因可能包括鉆頭的定心性不好、刀具的懸長(zhǎng)過長(zhǎng)、切削參數(shù)過高。由于懸長(zhǎng)無法改變，切削參數(shù)不能降低，只好選擇定心性更好的鉆頭。

后來選擇定心性較好的直槽階梯鉆(見圖8)，并適當(dāng)?shù)丶哟筱@頭的后角(后角增加為11°)來彌補(bǔ)直槽鉆進(jìn)給量小于麻花鉆的缺陷，使用原來的加工參數(shù)，從而導(dǎo)致加工節(jié)拍的平衡。經(jīng)過測(cè)試，刀具壽命與之前的預(yù)測(cè)壽命一致，可以加工450 件，即累計(jì)孔長(zhǎng)83 m，滿足壽命要求。

4 鉸刀的優(yōu)化

4.1 鉸刀部分結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鉸削的影響

鉸刀的主偏角和其他刀具的主偏角一樣，影響整個(gè)切削力的受力方向，當(dāng)主偏角過大時(shí)，鉸刀受到的軸向力變大，徑向力變小，使得加工出來的孔徑變大;反之，孔徑變小。鉸刀刃帶屬于副后刀面，主要與已加工表面接觸，如果刃帶過寬，在切削過程中刀具與孔已加工表面接觸時(shí)間過長(zhǎng)，容易早造成內(nèi)表面粗糙度值過大，甚至孔徑過大;反之，容易造成孔徑過小。大部分刀具公司都做過實(shí)驗(yàn)，6 刃鉸刀的效率是最劃算的，但是對(duì)稱型式的6 刃鉸刀經(jīng)常出現(xiàn)折斷或者表面有劃痕的情況，為此大部分公司推出55°，60°，65°鉸刀，這種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以很好地解決這一問題。在加工鑄鐵這類脆性材料時(shí)，鉸刀的螺旋角一般選擇0°即直槽鉸刀，因?yàn)榇嘈圆牧系那行伎梢院芸斓嘏懦?。在加工通孔時(shí)，一般選擇左旋右切的螺旋角鉸刀，這樣可以很好地解決排屑問題。鉸刀的倒錐一般選擇BT(0.02 ～0.1)/100。

4.2 鉸刀切削參數(shù)對(duì)鉸削的影響

當(dāng)鉸刀的切削速度過高時(shí)，容易造成孔徑偏大，孔內(nèi)表面粗糙度值過大，甚至造成鉸刀的折斷，反之;容易造成孔徑偏小，同樣也會(huì)造成鉸刀的折斷;當(dāng)鉸刀的鉸削余量過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鉸刀的過快磨損，而且孔壁粗糙度不好;當(dāng)鉸削余量過小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鉸刀沒有進(jìn)行真正的切削，僅僅是將被加工余量進(jìn)行擠壓，從而造成孔徑偏小。進(jìn)給量也會(huì)影響孔徑的大小和孔壁的粗糙度，進(jìn)給量太小，孔壁會(huì)出現(xiàn)振紋或孔大;進(jìn)給量太大，會(huì)導(dǎo)致鉸刀折斷，孔壁粗糙度不好或孔徑過小。

4.3 鉸刀優(yōu)化的實(shí)例

我公司汽缸體瓦蓋安裝銷孔在預(yù)加工后，直徑方向留有0.5 mm 余量，屬于鑄鐵鉸削的合理余量(一般為0.3 ～0.6 mm 之間)。使用的鉸刀主偏角為45°，螺旋角為0°的六刃鉸刀，轉(zhuǎn)速為1 698 r/min，進(jìn)給量為800 mm/min。使用的刀柄為鈷領(lǐng)的CM300 4299 16.263，刀柄懸長(zhǎng)為156 mm。由于刀柄過長(zhǎng)，液壓夾持不穩(wěn)定，導(dǎo)致鉸刀切削部分跳動(dòng)較大，在加工過程中經(jīng)常出現(xiàn)鉸出來的孔徑偏大。

造成這種情況的原因可能包括刀柄夾持力不足導(dǎo)致跳動(dòng)太大、刀具的主偏角過大、刀具的進(jìn)給量較小。由于前兩種原因的更改過程較長(zhǎng)，所以先采用加大進(jìn)給的方式以改善加工效果，同時(shí)針對(duì)前兩種原因進(jìn)行刀具和刀柄的修改。

更改后采用的進(jìn)給量為900 mm/min，此時(shí)加工出來的孔徑小于上限4 ～6 μm。在這樣的切削參數(shù)下，使用修改后主偏角改為30°的鉸刀加工出來孔的直徑在孔徑要求的中值附近。經(jīng)過測(cè)試，加工壽命可以達(dá)到1 397 件，累計(jì)孔長(zhǎng)將近49 m，滿足壽命要求。

［1］蘭天旭. 船用柴油機(jī)關(guān)鍵件切削專家系統(tǒng)的研究［D］. 鎮(zhèn)江:江蘇科技大學(xué)，2009.

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