發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋銑削毛刺形成及控制技術(shù)研究

陳耀峰，李 康，明偉偉，陳 明

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；2.上汽通用汽車(chē)有限公司，上海 200000）

1 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車(chē)核心零部件，其加工質(zhì)量直接影響了整車(chē)性能。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋加工中，仍存在缸蓋大面毛刺等工藝問(wèn)題。毛刺的存在影響了發(fā)動(dòng)機(jī)零件和發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量和精度，從而對(duì)零件的后續(xù)加工、檢測(cè)、裝配、使用性能、工作壽命等方面的產(chǎn)生各種弊病。額外增加的去毛刺工序，不但增加了生產(chǎn)成本，還降低了加工效率。因此，如何在加工過(guò)程中主動(dòng)控制毛刺的形成，成為了該領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。

早在1976年，文獻(xiàn)[1]首次提出了平面銑削毛刺形成機(jī)理，認(rèn)為平面銑削可以產(chǎn)生8種不同的毛刺。此后，大量的學(xué)者對(duì)毛刺的形成機(jī)理和抑制毛刺尺寸的方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，提出了一套系統(tǒng)的平面銑削刀具路徑規(guī)劃方法，通過(guò)調(diào)整刀具路徑來(lái)有效抑制毛刺的形成。文獻(xiàn)[3]提出了切削刃離開(kāi)工件邊緣的順序決定了毛刺的尺寸，即EOS 原理，如圖1 所示。文獻(xiàn)[4-5]對(duì)出口階段毛刺形成的斷裂行為進(jìn)行了分析，認(rèn)為負(fù)剪切角方向與刀具路徑方向相同。文獻(xiàn)[6]提出負(fù)變形面的塑性彎曲和剪切是毛刺形成的主要機(jī)制，而沿該平面的裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致了邊緣虧缺，并認(rèn)為銑削過(guò)程中毛刺的類(lèi)型與刀具出口角度相關(guān)[7]。綜合以上考慮，選取了不同的切削參數(shù)[8]，進(jìn)行銑削加工試驗(yàn)。試驗(yàn)中測(cè)量毛刺寬度和高度等特征尺寸，進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸分析，獲得加工工藝參數(shù)與毛刺特征尺寸的關(guān)聯(lián)模型。通過(guò)模型確定實(shí)現(xiàn)毛刺尺寸主動(dòng)控制的加工參數(shù)可行區(qū)間。

圖1 出口順序Fig.1 Exit Order Sequence

2 缸蓋銑削試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)條件

平面銑削試驗(yàn)采用DMU 70V 加工中心，最大主軸轉(zhuǎn)速為12000r/min。工件為鑄造鋁合金AlSi7Mg發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋。刀具采用MAPAL軸向可調(diào)高精度可轉(zhuǎn)位平面銑刀，10刃，直徑125mm，裝PCD 銑刀片。采用3RWM401便攜式光學(xué)顯微鏡觀測(cè)銑削毛刺形貌。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Testing Site

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)缸蓋大平面的特征，采用了S型的切削路徑，檢測(cè)A、B、C、D等關(guān)鍵棱邊毛刺尺寸，如圖3所示。

圖3 走刀路徑和檢測(cè)位置Fig.3 Tool Path and Detection Position

粗加工銑削參數(shù)水平設(shè)置，如表1所示。精加工參數(shù)水平設(shè)置，如表2所示。

表1 粗加工切削參數(shù)水平設(shè)置Tab.1 The Parameters of Rough Machining

表2 精加工切削參數(shù)水平設(shè)置Tab.2 The Parameters of Finish Machining

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 粗加工毛刺尺寸

在粗加工平面粗銑試驗(yàn)中，觀察發(fā)現(xiàn)A、C棱邊完整性較好、毛刺尺寸很小，D棱邊毛刺尺寸較大。因此重點(diǎn)針對(duì)D棱邊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。粗加工毛刺尺寸觀測(cè)數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 粗加工毛刺尺寸觀測(cè)數(shù)據(jù)Tab.3 Test Data of Burr Dimension in Rough Machining

利用回歸算法[9-10]，得到擬合公式如下：

式中：ɑ—毛刺高度；

b—毛刺寬度；

v—切屑速度；

f—每齒進(jìn)給量；

ɑp—切深。

切削參數(shù)對(duì)毛刺高度和毛刺寬度的影響，如圖4、圖5所示。

圖4 粗銑毛刺高度尺寸Fig.4 The Height Dimension of Rough Machining

圖5 粗銑毛刺寬度尺寸Fig.5 The Width Dimension of Rough Machining

設(shè)顯著性水平ɑ=0.1，查F分布表可知：

式中：F—F分布臨界值；

k—變量數(shù)；

n—樣本數(shù)。

粗銑毛刺高度與寬度公式擬合F值分別為4.39、3.16，均大于臨界值2.52，故本次擬合結(jié)果有效。

毛刺尺寸隨著切削速度的增加而減小，隨著進(jìn)給量和切削深度的增加而增大，如擬合式（1）、式（2）所示。這是由于隨著切削速度的增加，單位時(shí)間內(nèi)刀屑接觸次數(shù)增加。切屑應(yīng)變率增加，產(chǎn)生應(yīng)變硬化，導(dǎo)致材料塑性降低，毛刺尺寸減小。故而應(yīng)選擇較大的切削速度和合適的進(jìn)給量和切削深度，合適的切削速度區(qū)間為（2000～2500）m/min，合適的進(jìn)給量為（0.08～0.10）mm/z，切深為（1～1.5）mm。在此加工范圍內(nèi)，由擬合公式可得，毛刺寬度和高度尺寸區(qū)間為（312～792）μm和（191～451）μm。

3.2 精加工毛刺尺寸

精加工與粗加工情況相似，仍然是A和C棱邊完整性較好、毛刺尺寸較小，B和D棱邊毛刺尺寸較大。取D棱邊作為研究對(duì)象，精加工毛刺尺寸觀測(cè)數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 精銑毛刺尺寸觀測(cè)數(shù)據(jù)Tab.4 Test Data of Burr Dimension in Finish Machining

利用回歸算法，得到擬合公式如下：

式中：ɑ—毛刺高度；

b—毛刺寬度；

v—切屑速度；

f—每齒進(jìn)給量；

ɑp—切深。

切削參數(shù)對(duì)毛刺高度和毛刺寬度的影響，如圖6、圖7所示。

圖6 精銑毛刺高度尺寸Fig.6 The Height Dimension of Finish Machining

圖7 精銑毛刺寬度尺寸Fig.7 The Width Dimension of Finish Machining

設(shè)顯著性水平ɑ=0.1，查F分布表可知：

式中：F—F分布臨界值；

k—變量數(shù)；

n—樣本數(shù)。

精銑毛刺高度與寬度公式擬合F值分別為20.51、6.47，均大于臨界值3.46，故本次擬合結(jié)果有效。

切削參數(shù)對(duì)毛刺尺寸大小的影響與粗銑時(shí)相似，即轉(zhuǎn)速升高，毛刺尺寸減少；進(jìn)給量增大，毛刺尺寸增大，如擬合式（4）、式（5）所示。

在選取精加工的合理參數(shù)區(qū)間時(shí)，考慮刀具壽命，加工效率等影響因素，使毛刺尺寸盡可能小。故精加工參數(shù)范圍為：切削速度（2000～2500）m/min，每齒進(jìn)給量（0.05～0.075）mm/z。此時(shí)毛刺寬度和高度尺寸區(qū)間為（109～280）μm和（54～132）μm。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋關(guān)鍵結(jié)合面銑削，對(duì)其毛刺形成及控制技術(shù)做出相關(guān)研究，總結(jié)如下：

（1）通過(guò)測(cè)量不同切削參數(shù)下的毛刺尺寸，對(duì)其進(jìn)行回歸分析，建立基于切削參數(shù)的粗精銑毛刺尺寸回歸模型。根據(jù)F分布，驗(yàn)證了毛刺尺寸回歸模型的有效性；

（2）在粗加工中，毛刺尺寸隨著切削速度的增加而減小，隨著進(jìn)給量和切削深度的增加而增大。這是由于隨著切削速度的增加，單位時(shí)間內(nèi)刀屑接觸次數(shù)增加，切屑應(yīng)變率增加，產(chǎn)生應(yīng)變硬化，導(dǎo)致材料塑性降低，毛刺尺寸減小。故應(yīng)選擇較大的切削速度和合適的進(jìn)給量和切削深度。故粗加工參數(shù)范圍為：切削速度（2000～2500）m/min，每齒進(jìn)給量為（0.08～0.10）mm/z，切深為（1～1.5）mm。根據(jù)粗銑毛刺尺寸回歸公式，毛刺寬度和高度尺寸區(qū)間為（312～792）μm和（191～451）μm；

（3）選取精加工的合理參數(shù)區(qū)間時(shí)，考慮刀具壽命，加工效率等影響因素，使毛刺尺寸盡可能小。故精加工參數(shù)范圍為：切削速度（2000～2500）m/min，每齒進(jìn)給量（0.05～0.075）mm/z。根據(jù)精銑毛刺尺寸回歸公式，毛刺寬度和高度尺寸區(qū)間為（109～280）μm和（54～132）μm。