硅鋁合金缸蓋深孔鉆削技術(shù)

羅恒，趙為鑫，金宗毅，韓旭，閆兆彬，李明穎

1.大連工業(yè)大學機械工程與自動化學院 遼寧大連 116034

2.北京大豪科技股份有限公司 北京 100000

1 序言

硅鋁合金（A356-T6）廣泛應用于汽車、航空航天等領(lǐng)域，其中應用于發(fā)動機缸體、缸蓋等鑄件領(lǐng)域最為廣泛。深孔加工是制造發(fā)動機缸蓋的重要工序，加工孔的深度大，排屑不暢，且實際生產(chǎn)中要求加工效率高，因此深孔的高質(zhì)高效加工一直是行業(yè)的加工難題。本文從實際生產(chǎn)需求出發(fā)，通過改變切削用量、優(yōu)化切削參數(shù)，達到改進工藝的效果。

硅鋁合金屬于難加工材料，影響其加工性能的主要因素有彈性變形大、加工時易斷屑及排屑困難。由于硅鋁合金凝固收縮，同時在熔融狀態(tài)下很容易溶入氫，導致鑄造鋁合金有一定缺陷，比如孔隙、氧化物、孔洞和非金屬夾雜物等[1]，所以會出現(xiàn)應力集中。

當加工孔的深度和直徑之比L/D＞5時稱為深孔，深度和直徑之比L/D＞10時稱為超長深孔[2]。本次鉆削研究的是長徑比＞50的超深孔，超深孔加工過程中可能會出現(xiàn)排屑不暢，從而導致崩刃，甚至會造成刀頭折斷。

在半封閉式的細長孔鉆削加工中，因為切削產(chǎn)生的溫度較高，卷屑回彈大，易粘結(jié)，不易排出，造成鉆頭磨損嚴重，甚至會斷刀，所以硅鋁合金超深孔鉆削加工成為很多企業(yè)亟需解決的難題。

2 雙刃槍鉆分析及斷屑槽數(shù)學模型建立

本文研究采用雙溝槍鉆對硅鋁合金缸蓋進行深孔鉆削試驗。槍鉆加工是深孔加工中常用的方法，槍鉆由鉆尖、鉆桿和刀柄三部分組成[3]，主要的幾何參數(shù)有峰角、后角、偏擺角、切入角、橫刃斜角、前刀面和后刀面等，角度參數(shù)對切削性能的影響很大。研究結(jié)果表明，隨著刀具外刃第一后角和內(nèi)刃后角的增大，總軸向力先增大后逐漸減小[4]，更加合理的刀具幾何參數(shù)能提高孔的加工質(zhì)量和刀具的使用壽命。

建立數(shù)學模型的方法一般分為直接法和反求法[5]，直接法是根據(jù)砂輪的幾何形狀和運動軌跡來確定被加工面的參數(shù)方程，其中砂輪的運動軌跡由砂輪的中心運動軌跡方程和砂輪軸的方向向量來確定，直接法適用于加工復雜的平面。反求法則是根據(jù)設計好的刀具幾何參數(shù)，反過來求解砂輪的幾何形狀和運動軌跡。雙刃槍鉆頭部的前刀面、后刀面都是平面，頭部是嚴格的中心對稱結(jié)構(gòu)，因此采用反求法來建立雙刃槍鉆數(shù)控刃磨的數(shù)學模型[6]。本文通過在雙刃槍鉆前刀面加一個斷屑槽（槽寬為0.5mm），使雙刃槍鉆前刀面變?yōu)檎敖?，改善其鉆削硅鋁合金情況。

斷屑槽幾何參數(shù)主要由槽寬LBn，槽底前角γBn，徑向傾角δBn，斷屑槽圓角R1，斜角λBn，斷屑槽間距dBn等參數(shù)組成，如圖1所示[6]。

圖1 斷屑槽幾何參數(shù)

設斷屑槽曲面與前刀面的交線為Ld，Ld與刃帶的交線為點C。過C點且與加工斷屑槽時砂輪端面平行的平面設為Sd，求出Sd面的解析表達式，即可建立斷屑槽的數(shù)學模型[7]。

由圖1可得C點的坐標為：XC＝D/2tan[（π/2）－φ＋λBn]，YC＝－dr，ZC＝D/2。D為槍鉆外徑（mm）；φ為槍鉆外刃峰角（°）；λBn為斷屑槽低端與前刀面的交線，該交線與主切削刃的夾角（°）；dr為雙刃槍鉆兩個前刀面之間的距離（mm）。此時，只需求出Sd平面的一個法向量即可。平面Sd的法向量相當于單位向量i（1，0，0）繞yw順時針旋轉(zhuǎn)（π/2）－φ＋λBn得到向量再將繞旋轉(zhuǎn)軸順時針旋轉(zhuǎn)λBn。而旋轉(zhuǎn)軸是由主切削刃AB上的向量繞yw順時針旋轉(zhuǎn)λBn而得。最終得到的法向量為Sd＝[XlSd，YlSd，ZlSd]，所以平面方程為XlSd[x－（D/2）tan（π/2－φ＋λBn）]＋YlSd（y＋dr）＋ZlSd（z－D/2）。

3 硅鋁合金深孔鉆削試驗

3.1 試驗設備及要求

經(jīng)過改造的數(shù)控深孔鉆床如圖2所示，硅鋁合金發(fā)動機缸蓋如圖3所示。兩把雙溝槍鉆結(jié)構(gòu)如圖4所示，一把帶斷屑槽，一把不帶，直徑均為8mm，合金材料為HB3。

圖2 深孔鉆床

圖3 發(fā)動機缸蓋剖面

圖4 雙溝槍鉆結(jié)構(gòu)

發(fā)動機缸蓋的加工要求：孔的加工長度為445mm，孔徑為8mm，預加工+加工+退刀，一共是45s左右，進給速度＞760mm/min。為了使槍鉆在一條直線上穩(wěn)定前進且符合阿貝原則，最終選擇直徑為8mm、長度為1042mm的硬質(zhì)合金（HB3）雙刃槍鉆，槍鉆峰角140°、Gash角60°、主后角12°、副后角25°、三后角35°和S20°（第一后刀面與第二后刀面的交線L1，第二后刀面與第三后刀面的交線L2，L1與L2的夾角20°）的雙刃槍鉆。

3.2 切削試驗

試驗開始，選用直徑8mm的硬質(zhì)合金槍鉆裝在深孔鉆床上，打開經(jīng)過改造的數(shù)控深孔鉆床，空載運行。由于槍鉆長度為1042mm，若轉(zhuǎn)速達到理想值5000～6000r/min時，波動較大，所以為了使槍鉆轉(zhuǎn)速可以達到理想值附近，在槍鉆中間增加一個支撐。

固定好槍鉆后，設置槍鉆初始轉(zhuǎn)速n=3000 r/min，無進給量，觀察槍鉆在高速轉(zhuǎn)動時是否會彎曲。觀察發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速n=3000r/min時槍鉆無彎曲跡象，以200r/min為一個單位，依次觀察n=3200r/min、n=3400r/min、n=3600r/min、n=3800r/min、n=4000 r/min、n=4200r/min、n=4400r/min時槍鉆是否有彎曲跡象，發(fā)現(xiàn)當n=4400r/min時，槍鉆有彎曲跡象，因此設定n=4200r/min為最高轉(zhuǎn)速。

確定最大轉(zhuǎn)速后，啟動深孔鉆床，初始進給量f=0.15mm/r，進給深度450mm，編程完成后，進行空刀運行。在運行過程中發(fā)現(xiàn)，主軸會與支撐軸相撞，停車對設備進行改進。改進方法是在主軸下方加裝頂桿，讓主軸推動支撐軸一起運動，重新起動深孔鉆床，觀察發(fā)現(xiàn)槍鉆平穩(wěn)前進且到達指定位置。

確定最大轉(zhuǎn)速和初始進給量后，將硅鋁合金缸蓋放置在被加工位置，起動深孔鉆床，進給量分別為f1=0.15mm/r，f2=0.17mm/r，f3=0.19mm/r，完成硅鋁合金缸蓋445mm的深孔加工，進給速度分別為v1=630mm/min，v2=714mm/min，v3＞760mm/min，最后發(fā)現(xiàn)v1滿足進給需求，切削試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 切削試驗數(shù)據(jù)

對斷刀工件進行切片（見圖5），發(fā)現(xiàn)刀具在加工過程中的異響即為未排出的切屑纏在刀桿與工件內(nèi)表面之間形成的間歇性響動，當?shù)毒呒庸さ揭欢ㄉ疃葧r，里面累積的切屑達到一定程度，就會整體抱住工件，刀具所受到的阻力就會成倍增加，刀具就會斷掉。切屑沒有排出的原因主要有兩個：一個是壓力，另一個是流量。6.5MPa的壓力參照經(jīng)驗完全滿足需要；在流量問題上，考慮優(yōu)化加工工藝，具體做法是在槍鉆加工深度達到200mm時，停止運行1s，然后繼續(xù)運行50mm，到達250mm時，再次停止運行1s，以同樣的方式加工到445mm處，然后退刀，這樣做的目的是考慮切屑在超深孔加工時不易排出，短暫停滯有助于切屑排出，防止加工異常抖動。

圖5 斷刀工件切片

觀察槍鉆抖動，沒有進行量化，觀察方式是通過槍鉆在深孔鉆削過程中槍鉆與被加工的缸蓋接觸，所發(fā)出聲音由最初規(guī)律清脆轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序尖銳，槍鉆在穩(wěn)定加工時按照編寫程序以肉眼看不見的波動穩(wěn)步前進，到肉眼可見的微小振動。因為槍鉆長度超過1m，轉(zhuǎn)速最高可達4200r/min，在鉆尖處鉆削不暢，會產(chǎn)生輕微抖動，槍鉆桿處會放大鉆尖處抖動，肉眼便可以觀察到由槍鉆鉆尖處引起的鉆桿處微小振動，出現(xiàn)抖動時還會發(fā)出尖銳的聲音（槍鉆鉆尖與硅鋁合金缸蓋因排屑不暢引起），結(jié)合槍鉆鉆削的實際經(jīng)驗，進行定性分析，做出槍鉆是否抖動的判斷。

3.3 試驗驗證及結(jié)論

將雙刃槍鉆固定在深孔鉆床上，設定鉆床轉(zhuǎn)速n=4200r/min，進給量f=0.19mm/r，工藝流程為槍鉆加工深度達到200mm時，停止運行1s，然后繼續(xù)運行50mm，停止運行1s，以同樣的方式加工到445mm處，然后退刀。在試驗過程中，雙刃槍鉆前半段與后半段均無明顯抖動，且加工時磨損聲音較小，在光學測量儀上觀察，槍鉆也無磨損痕跡。通過對比工藝改進前后的切屑（見圖6）可知，改進后的試驗完全滿足要求，不會發(fā)生崩刃、過度磨損等現(xiàn)象。

圖6 工藝改進前后切屑對比

4 結(jié)束語

本次加工的難點是超深孔加工，在槍鉆中間增加一個支撐，并安裝頂桿，再通過加工工藝改進和在雙刃槍鉆前刀面加一個斷屑槽，使雙刃槍鉆前刀面變?yōu)檎敖牵纳屏算@削硅鋁合金散熱排屑情況。本文經(jīng)過試驗探究、工藝優(yōu)化和槍鉆鉆尖改進等方法，解決了硅鋁合金類超深孔材料加工的難題。