PCD刀具孔加工過程中的切屑控制方法

黃 震， 黨戰(zhàn)國， 趙振國

(上汽通用東岳動力總成有限公司， 山東 煙臺 264000)

為追求產(chǎn)品輕量化，汽車動力總成越來越多地使用鋁材質(zhì)，如發(fā)動機(jī)鋁缸體缸蓋、變速箱殼體與閥體等[1]。在進(jìn)行“多直徑、多階梯、大深度”孔的精加工過程中，由于會偶發(fā)肉眼難以觀察的孔內(nèi)劃痕，需要使用內(nèi)窺鏡對成品進(jìn)行探入式抽查。發(fā)現(xiàn)有孔內(nèi)劃痕的零件后，廠家往往需要慎重處理，輕則報(bào)廢工件、重則提前更換刀具，加大了廠家的成本負(fù)擔(dān)[2]。

一般認(rèn)為，產(chǎn)生劃痕的原因主要是由于連續(xù)的切屑不能及時(shí)排出，從而對工件表面造成劃傷。目前常用的斷屑方法是數(shù)控暫停[3]，但是反復(fù)啟停對PCD刀具的刃口形成沖擊作用，會影響刀具壽命，需要對其進(jìn)行跟蹤，額外產(chǎn)生了新的生產(chǎn)監(jiān)測環(huán)節(jié)。

為消除內(nèi)孔表面出現(xiàn)的劃痕，我們分析了劃痕的類型和出現(xiàn)的原因，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)優(yōu)化加工過程，從而提高內(nèi)孔表面質(zhì)量。

1 劃痕分析

常見的孔內(nèi)劃痕如圖1所示。劃痕類型可分為3種：大斜率劃痕、中段劃痕和入口劃痕。

從圖1a可以看出：大斜率劃痕沿工件軸向連續(xù)分布，應(yīng)當(dāng)與退刀過程有關(guān)；進(jìn)一步將劃痕斜率和退刀進(jìn)給相比較，驗(yàn)證了此判斷。中段劃痕(如圖1b所示)多出現(xiàn)在階梯孔的中間階梯處，其產(chǎn)生的原因是前后階梯加工過程中產(chǎn)生的切屑被冷卻液沖到刀具上，在刀具的帶動下在工件上留下劃痕。在實(shí)際生產(chǎn)中，大斜率劃痕和中段劃痕出現(xiàn)的概率很小，且其對產(chǎn)品的功能影響小，不作為本文研究的重點(diǎn)。

從圖1c可以看出：在內(nèi)孔入口位置出現(xiàn)了密布、連續(xù)的劃痕，即入口劃痕。入口劃痕會嚴(yán)重影響內(nèi)孔表面質(zhì)量，造成產(chǎn)品報(bào)廢。

通過大數(shù)據(jù)搜集與分析，排除切削參數(shù)、刀具批次、設(shè)備差異、毛坯批次、冷卻液品牌和濃度變化的影響。

由于粗精加工在同一臺設(shè)備(即一個(gè)工位)中完成，通過加工暫停的方式觀察加工過程的異常點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)在粗加工后，閥孔內(nèi)殘留有環(huán)狀切屑(即“鋁環(huán)”)，并被卡在工件中的階梯直徑變化位置的空檔之中，如圖2所示。

圖2 粗加工殘留的鋁環(huán)

對切屑的厚度和直徑進(jìn)行測量，認(rèn)定其來源為粗加工刀具加工到孔的末端時(shí)，將尚未切削的鑄造凸臺(圖3)整體推出而產(chǎn)生的鋁環(huán)。當(dāng)?shù)毒咄嘶貢r(shí)鋁環(huán)從刀具上剝落，留在工件之中。隨后，精加工刀具將鋁環(huán)推至更小直徑的孔內(nèi)，并進(jìn)行擠壓、切削并最終切碎。在鋁環(huán)被二次切削的過程中，在孔內(nèi)壁上留下的劃痕，即為入口劃痕。

圖3 粗加工前工件剖面圖

2 試驗(yàn)過程

通過此前觀察的結(jié)果，我們可以確定導(dǎo)致入口劃痕的切屑是未被及時(shí)清理的、粗加工鉆頭加工產(chǎn)生的鋁環(huán)。因此制定了3個(gè)解決思路：(1)優(yōu)化噴淋方式，及時(shí)清理鋁環(huán)；(2)優(yōu)化刀具設(shè)計(jì)，抑制鋁環(huán)產(chǎn)生；(3)轉(zhuǎn)移鋁環(huán)產(chǎn)生的工序。

2.1 清理鋁環(huán)

考慮具體生產(chǎn)節(jié)拍等因素，選擇了鉆頭內(nèi)冷定點(diǎn)噴淋和設(shè)備頂部管口噴淋2個(gè)方法，如圖4所示。其中，鉆頭內(nèi)冷定點(diǎn)噴淋方法是利用粗加工刀具自身內(nèi)冷噴淋水流(圖4a)，退刀時(shí)在鋁環(huán)殘留的位置暫停0.5 s，進(jìn)行定點(diǎn)噴淋。設(shè)備頂部管口噴淋是在設(shè)備頂部新增2個(gè)噴淋管口(圖4b)，對準(zhǔn)鋁環(huán)殘留的位置進(jìn)行噴淋清理。

2.2 抑制鋁環(huán)

優(yōu)化粗加工工序刀具的主偏角，減小軸向切削力，減少加工末期出口處材料未經(jīng)切削而被直接推出的可能性，從而抑制鋁環(huán)產(chǎn)生。目前刀具主偏角是85°，在不改變進(jìn)給距離的前提下，鉆頭可“完全鉆通”的最小主偏角為65°。則刀具主偏角調(diào)整范圍為65°～85°。

2.3 轉(zhuǎn)移鋁環(huán)

前面2個(gè)解決思路的著眼點(diǎn)都是消除粗加工刀具加工后殘留在工件內(nèi)的鋁環(huán)，避免被后續(xù)精加工刀具二次切削擠壓。另一方面，可以將鋁環(huán)的產(chǎn)生由粗加工轉(zhuǎn)到最終的精加工工序，即粗加工工序不徹底鉆通，而是將出口處的余量留給精加工刀具去加工。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是即使精加工刀具依舊產(chǎn)生鋁環(huán)并將其殘留在工件內(nèi)，但是由于后續(xù)再無刀具加工，鋁環(huán)不會因被擠壓而產(chǎn)生入口劃痕，并且可被最終成品前的高壓清洗水流所清除；缺點(diǎn)是增加了精加工刀具的切削載荷，有可能導(dǎo)致崩刃等刀具失效問題發(fā)生。

針對實(shí)際問題，選取了以減小粗加工刀具刃口主偏角(α)的方式，由85°減小到65°，如圖5所示。這樣不完全鉆通的工藝，會在孔口末端留下一個(gè)橫截面為三角形的余量環(huán)，同時(shí)可以減小軸向推力，避免材料被推出而形成鋁環(huán)。

(a)鉆頭加工前截面Profile of workpiece before rough machining

3 結(jié)果與討論

通過優(yōu)化噴淋方式得到的加工結(jié)果如表1所示。對比更改前1.2%的異常比例，2個(gè)更改方案實(shí)施后異常比例略有降低，但效果有限。

表1 優(yōu)化刀具設(shè)計(jì)的加工結(jié)果

為抑制鋁環(huán)而優(yōu)化刀具設(shè)計(jì)的加工結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化刀具設(shè)計(jì)的加工結(jié)果

通過減小刃口主偏角的方式減小刀具的軸向力，盡可能地使刀具更多地切削末端材料而不是將其推出。主偏角由85°減小到65°的過程中，發(fā)現(xiàn)入口劃痕問題仍然存在，但比例略有降低。觀察粗加工后的閥孔內(nèi)，發(fā)現(xiàn)仍有鋁環(huán)存在。繼續(xù)減小主偏角，刀具刃口的軸向投影長度也隨之增大，刃口前端會切削到前面的檔位。

在轉(zhuǎn)移鋁環(huán)優(yōu)化中，將鉆頭主偏角變更為48°之后，跟蹤刀具使用3個(gè)月、加工數(shù)萬套產(chǎn)品，入口劃痕工件比例由1.2%降至0，刀具加工達(dá)到設(shè)定壽命被換下后，無刃口破損等現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過收集與測量加工中產(chǎn)生的切屑，得出入口劃痕的原因是由于粗加工過程中產(chǎn)生的鋁環(huán)切屑，被精加工刀具夾帶入小直徑內(nèi)孔中，在二次切削切斷時(shí)在小直徑內(nèi)孔表面產(chǎn)生劃痕。進(jìn)而進(jìn)行了工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

(1)在生產(chǎn)節(jié)拍允許范圍內(nèi)，可通過增加噴淋的方式清理鋁屑，但效果有限；

(2)通過減小刀具主偏角的方式減小軸向切削力，可以抑制鋁環(huán)產(chǎn)生，但效果有限；

(3)將孔口末端的余量變?yōu)橛删庸さ毒呷コ瑢X環(huán)的產(chǎn)生時(shí)間延至精加工完成之后，消除了鋁環(huán)對精加工過程的影響。