鉆頭鉆尖角對(duì)鋁合金材料加工清潔度影響分析

張觀福　謝安　高帥

摘 要：鋁合金材料具有重量輕、散熱性好等特點(diǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋中應(yīng)用尤為廣泛，但鋁合金材質(zhì)較鑄鐵軟，在加工過(guò)程中容易產(chǎn)生毛刺，某公司在加工缸蓋通孔時(shí)，刀具出口產(chǎn)生大量的翻邊毛刺，嚴(yán)重影響了零件加工質(zhì)量&清潔度，本文從設(shè)備、材料、加工方法、加工環(huán)境四個(gè)方面進(jìn)行剖析，找出了產(chǎn)生毛刺的根源，并得出了相應(yīng)解決方法，具有較高參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：鋁合金缸蓋；通孔；鉆；翻邊毛刺

1 缸蓋材料介紹

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集油道、氣道和水道于一體，而且工作條件惡劣，與缸體、活塞構(gòu)成燃燒室，承受高溫、高壓作用。近年來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率的提高使得缸蓋的工作溫度和工作壓力顯著增加，這就要求制造材料具有良好的室溫性能和高溫性能。使用A356鋁合金材料的缸蓋能很好的滿足以上要求。

A356合金是一個(gè)典型的Al-Si-Mg系三元合金，具有優(yōu)秀綜合性能的鑄造鋁合金。它不僅具有很好的鑄造性能（流動(dòng)性好、線收縮小、無(wú)熱裂傾向），可鑄造薄壁和形狀復(fù)雜的鑄件，而且通過(guò)熱處理可達(dá)到較高的強(qiáng)度、良好的塑性和高沖擊韌性的理想綜合。同樣由于該材料特性，造成了零件后續(xù)加工與其它類型加工不一樣的問(wèn)題。

2 問(wèn)題現(xiàn)狀

正常生產(chǎn)加工中，自然吸氣缸蓋各面鉆孔后，通孔底部不產(chǎn)生毛刺。當(dāng)換型加工增壓缸蓋，鉆孔后，通孔底部有較大的翻邊毛刺（如圖1），且后工序清洗機(jī)無(wú)法去除，不僅影響后續(xù)裝配及發(fā)動(dòng)機(jī)清潔度，而且造成返修浪費(fèi)。

3 現(xiàn)狀分析與驗(yàn)證

由于缸蓋的功能性問(wèn)題，出現(xiàn)翻邊毛刺的增壓缸蓋材料與自然吸氣缸蓋材料不一樣，通過(guò)分析對(duì)比兩種材料的特性發(fā)現(xiàn)，增壓缸蓋材料硬度稍低（較“軟”），其延展性能更好，導(dǎo)致機(jī)加工過(guò)程中鋁合金材料向邊緣延展翻邊，現(xiàn)用刀具無(wú)法去除。以下通過(guò)加工設(shè)備、材料、加工參數(shù)、加工刀具、加工溫度等方面進(jìn)行分析。

3.1 加工設(shè)備分析

零件加工所用的設(shè)備都以加工中心+成型刀具自動(dòng)加工完成。如加工中出現(xiàn)瞬時(shí)進(jìn)給、轉(zhuǎn)速等不穩(wěn)定問(wèn)題，會(huì)造成刀具刃口切削厚度不一致，甚至導(dǎo)致刀具瞬時(shí)切削力過(guò)大造成斷刀。由于兩種材料缸蓋使用的刀具和鉆孔工藝&刀具一致，設(shè)備均為高精度加工中心，對(duì)各軸加工的移動(dòng)有嚴(yán)謹(jǐn)密伺服檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)監(jiān)查，如有誤差會(huì)準(zhǔn)確報(bào)警信息反饋，查找機(jī)床各加工狀態(tài)正常無(wú)報(bào)警。且對(duì)比不同機(jī)床的鉆孔加工幾乎都出現(xiàn)該通孔底部翻邊毛刺問(wèn)題。

3.2 零件材料分析

由于增壓缸蓋為了適應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，選用與正常生產(chǎn)缸蓋鑄造材料成分有差異，具體表現(xiàn)為硬度較自然吸氣缸蓋低，延展性較好，實(shí)際加工會(huì)出現(xiàn)相同刀具&參數(shù)下增壓的零件表面比較多的毛刺。在材料成分滿足要求的前提下通過(guò)熱處理提高硬度（在要求范圍內(nèi)）驗(yàn)證，同樣出現(xiàn)孔底邊緣翻邊毛刺，雖然零件鑄造成分直接影響毛刺的產(chǎn)生，由于工藝特性要求，不能對(duì)其進(jìn)行更改，所以材料分析不能解決通孔底部翻邊毛刺問(wèn)題。

3.3 加工參數(shù)分析

相同刀具，使用不同加工參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。理論上對(duì)于偏軟的材料加工使用更慢的進(jìn)給與較高的轉(zhuǎn)速加工能改善加工毛刺效果。

分析毛刺形式，在通孔出口邊緣為較厚毛刺，提高鉆頭轉(zhuǎn)速及減小進(jìn)給（降低每刃每轉(zhuǎn)進(jìn)給），減小切屑厚度（易去除毛刺），從而降低毛刺產(chǎn)生頻次。通過(guò)上面的參數(shù)驗(yàn)證符合該規(guī)律。

通過(guò)多組不同參數(shù)驗(yàn)證，毛刺比之前有所減少、變小，但未能根本消除。通過(guò)單純參數(shù)優(yōu)化不能解決通孔底部翻邊毛刺問(wèn)題。

3.4 加工刀具分析

生產(chǎn)中使用的鉆頭刀具大部分都是標(biāo)準(zhǔn)刀具。但在對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)在加工增壓缸蓋的鉆頭當(dāng)中有兩種不一樣的鉆頭結(jié)構(gòu)刀具，如圖2：

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鉆尖角度雖都為120°，但結(jié)構(gòu)不同，第1種正常使用鉆頭尖端部分大（下文稱為V型鉆尖），第2種刀具鉆頭尖端部分小并含有部分平鉆切削刃（下文稱為E型鉆尖）。

V型鉆尖鉆頭：在孔即將鉆通時(shí)，首先將待加工表面頂破，由于材質(zhì)軟，鋁屑向四周延展裂開(kāi)，因切削刃具有傾斜角度120°，使刀具不能有效切削，并在鉆穿的過(guò)程中將材料擠向孔邊緣產(chǎn)生毛刺。

E型鉆尖鉆頭：在孔即將鉆通時(shí)，平鉆切削刃部分（遠(yuǎn)端）可以有效的切削，不會(huì)把鉆尖擠破的材料擠孔邊緣，而是通過(guò)兩側(cè)平切削刃把材料切除，能很好的消除翻邊毛刺問(wèn)題。檢查增壓缸蓋上使用該類型刀具加工的孔，通孔底部邊緣均無(wú)毛刺。

借鑒該方案對(duì)其余類似問(wèn)題鉆孔刀具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，加工驗(yàn)證效果明顯，優(yōu)化后的通孔加工翻邊毛刺全部解決，如圖3。

根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化加工通孔的鉆頭鉆尖類型結(jié)構(gòu)（即：增加平切削刃，刃口無(wú)傾斜角度），可以有效提升通孔邊緣清潔度。

借鑒以上經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，優(yōu)化有特殊加工要求的標(biāo)準(zhǔn)V型鉆尖刃尖角，經(jīng)過(guò)大量驗(yàn)證得出V型鉆頭尖角為140°時(shí)其加工孔清潔度較優(yōu)，鉆頭切削受力分析如圖4：

鉆尖在切削過(guò)程中，切削力F可分解為水平方向切削力F1、豎直方向切削力F2，其水平方向切屑力F1將鋁屑擠壓至邊緣，而F1=Fcosα，余弦函數(shù)隨著角度增大而減小，篩選幾組鉆尖角度進(jìn)行驗(yàn)證（α>120°），關(guān)注鉆孔表面質(zhì)量及邊緣清潔度，詳細(xì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1：

由驗(yàn)證得知，鉆頭頂角在140°時(shí)為理想解決尺寸，而在150°時(shí)，由于鉆頭頂角變大，切削刃受到的力相對(duì)較大，對(duì)孔加工表面質(zhì)量較為粗糙，如提高轉(zhuǎn)速與降低進(jìn)給雖然能得到較好的加工表面質(zhì)量，但由于加工節(jié)拍超差不能使用，最終選定140°頂角鉆頭做為加工方案。

3.5 加工溫度分析

若刀具加工過(guò)程中刃口處冷卻效果不優(yōu)，則導(dǎo)致材料熔化并粘附在切削刃處，特別是鋁合金材料（其熔點(diǎn)較低）。鋁合金材料在溫度升高后其塑性增大，在高溫高壓作用下，切削刃口摩擦力變大，易粘刀，由于鋁合金較“軟”，所以容易產(chǎn)生積屑瘤，積屑瘤的殘痕粘附在鉆頭前刀面（螺旋槽）上，使切屑液流出受阻，導(dǎo)致切屑變形大，收縮系數(shù)也大，切屑斷面變厚。若積屑瘤粘附在刃口及后刀面，則導(dǎo)致刃口及后刀面剮蹭孔壁情況，導(dǎo)致孔壁質(zhì)量變差，甚至有刀痕產(chǎn)生。

通過(guò)對(duì)刀具加工冷卻系統(tǒng)分析，零件加工過(guò)程中刀具有內(nèi)冷孔，通過(guò)內(nèi)冷孔噴射出高達(dá)30bar壓力進(jìn)行沖洗、潤(rùn)滑及冷卻，設(shè)備有高壓流量監(jiān)控，不會(huì)造成加工溫度過(guò)高影響加工。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于延展性好的鋁合金材料，通過(guò)刀具優(yōu)化能較好的解決鉆孔清潔度差問(wèn)題，同時(shí)優(yōu)化后的刀具對(duì)正常生產(chǎn)的鋁合金缸蓋適用，同步提升其孔加工質(zhì)量及清潔度。

參考文獻(xiàn)：

[1]余凌智，高強(qiáng)耐熱Al-Si-Cu-Mg合金的組織與性能研究，西安工業(yè)大學(xué)，2011.6.

[2]王祝堂，鋁合金及其加工手冊(cè)，中南工業(yè)大學(xué)，2000.

[3]魏國(guó)豐，加工鑄鋁合金時(shí)切屑用量對(duì)切削熱的影響，工具技術(shù)，2009.