汽缸體切削加工過程中的刀具優化

蘭天旭

(北京汽車動力總成有限公司，北京 101108)

金屬切削加工過程是一個多種不確定因素共同作用的過程，刀具和切削參數作為切削過程的重要影響因素在產品制造過程中起著舉足輕重的作用。刀具結構參數及切削參數的優劣直接影響到加工的質量和效率，采用合理的切削加工參數可以充分發揮機床和刀具的性能。刀具結構參數及切削參數優化已經成為切削加工研究領域的一個重要分支，很多高校和公司都已經投入了大量的人力和財力進行刀具結構參數及切削參數優化的研究，部分已經取得了一定的成果［1］。

我公司B 系列發動機生產線采用國際先進機床設備，為了充分發揮機床的性能，銑刀選擇了山特維克和肯納，鉆頭、鉸刀、絲錐選擇鈷領，鏜刀選擇瑪帕，并使用了瓦爾特公司生產的展開式鏜刀。但在實際生產過程中還是出現問題，為滿足生產需要，對部分刀具進行了優化。

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，如機床功率、主軸跳動、冷卻壓力，切削液類型及濃度等，而最顯著的是切削參數及刀具幾何結構。在實際生產過程中，要根據因素整改時間的長短和成本來決定先更改哪個因素，是臨時性更改還是永久性更改。

在眾多影響因素中，切削參數的更改是最直接、最快的解決方式，但是這些因素對刀具壽命影響非常大，在不得已的情況下，切削參數必須選擇在廠家推薦值和經驗值的合理區間內。刀具幾何結構一般指:刀具前角，影響切削力大小，根據加工性質合理選擇;后角，與前角一起影響刀尖強度;刃傾角，影響排屑方向;主偏角，影響受力方向;副偏角，影響加工表面質量［2-3］。除了以上的角度之外，在不同的刀具中，幾何結構有很大差異，具體因素在優化實例中體現。

2 面銑刀的優化

2.1 面銑刀部分結構參數對銑削的影響

面銑刀的主偏角決定切削力的方向，當主偏角為45°的時候，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，但是副偏角過小會增加刀具與已加工表面的摩擦，影響刀具的壽命，同時，增大副偏角會降低刀片的強度，也影響刀具的壽命［4］。

刀片的前角由加工性質決定，前角越大，刀片越鋒利，刀片的強度越小;反之，刀片越鈍，刀片強度越大。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，為了保證刀片的強度，一般選擇較小前角的刀片或者負前角刀片，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決定，粗加工對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)。當工件的表面粗糙度要求很高，但還不至于使用磨削的時候，一般選擇修光刃刀片(見圖1)，修光刃的刀尖型式基本設計思想是在標準刀片的最大允許刀尖半徑公差范圍內調整刀尖的幾何形狀，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 為進給量;re為刀尖圓角半徑。

在刀具結構中，除了以上內容，刀片的裝夾方式對切削的影響也很大。在實際中，刀片的裝夾分為平裝和立裝，具體見圖3 與圖4。

平裝結構銑刀的刀體結構工藝性好，容易加工，并可采用無孔刀片。切削力方向的硬質合金截面較小，故平裝結構的銑刀一般用于輕型和中量型的銑削加工。立裝結構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合金截面較大，因而可進行大切深、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 面銑刀切削參數對切銑削的影響

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

除了刀具本身的結構參數與切削參數對銑削過程影響較大之外，在銑平面時的銑削方式對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 面銑刀優化的實例

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。前后端面由于凸臺比較多，斷續加工嚴重，而頂面只有4 個缸孔、幾個銷孔和螺栓孔，屬于連續穩定加工。

最初使用的刀具為山特維克590 - 200Q60S -11M 刀盤，主偏角為90°，共計18 個刀片，其中16 個普通刀片為R590 -110508H-KL 1020，每個刀片有兩個切削刃，兩個修光刃刀片為R590 -110504H - KTW 1020，每個刀片只有一個切削刃。加工頂面的切削參數為V=255 m/min，F =937 mm/min，加工前后端面的切削參數為V =255 m/min，F =640 mm/min。加工壽命大約為70 件，之后出現修光刃磨損嚴重，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)。

分析原因為修光刃刀片磨損(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，每個刀片有8 個切削刃，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改為一致，即V =300 m/min，F =1 146 mm/min。由于刀具齒數較多，刀具的每齒進給量相對變小，這樣小的進給量彌補了沒有修光刃造成的粗糙度差的缺陷，而且小的進給量可以減小刀具離開缸體頂面時的切削力，45°主偏角又將切削力分解到兩個方向，避免了缸體頂面的剝落(見圖6)。在首件加工檢測后，缸體頂面和前后端面的粗糙度大約為Ra1.1 μm，在加工120 件左右的時候，缸體頂面的粗糙度達到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格大大降低，刀片使用數量減小，尤其是去掉了修光刃刀片，顯著地降低了刀具的成本。

3 鉆頭的優化

3.1 鉆頭部分結構參數對鉆削的影響

鉆頭的結構方式對鉆削的影響非常大，因為鉆頭的排屑空間有限，在鉆頭的槽型、刃型等設計的過程中，要充分考慮被加工材料及加工情況。國內外著名的鉆頭公司，都針對不同材料及不同的深徑比(孔深與直徑的比值)設計出不同的刀具刃型及槽型。例如，肯納的波刃鉆和鈷領的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，鈷領的D 型鉆尖型式可以很好地減小鉆頭在加工鑄鐵時鉆尖的磨損。直槽鉆和槍鉆可以很好地解決麻花鉆加工過程中出現位置度不好的現象，但是加工效率會稍微低于麻花鉆。

鉆頭的幾何結構對切削也有很大的影響。后角過小會導致鉆頭后刀面磨損嚴重，降低鉆頭的壽命，根據加工情況一般選擇7 ～13°。刃口處理得過小或者過大也會導致鉆頭的崩刃，加工鑄鐵的鉆頭刃口一般處理為0.05 ～0.07 mm。棱邊過寬會導致孔壁不光滑，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。國內外大部分生產鉆頭的公司都會根據各自的特點制定與本公司相符的鉆頭幾何結構的標準。

3.2 切削參數對鉆削的影響

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，過高的切削速度會導致鉆頭折斷或者崩刃，大大地降低鉆頭的壽命，過低的切削速度會加劇鉆頭的磨損。進給量太小會導致后刀面磨損，降低鉆頭的壽命，進給量太大可能造成崩刃或者鉆頭折斷。進給量一般根據鉆頭的型式、后角、直徑進行適當的修改。

3.3 鉆頭優化的實例

我公司加工汽缸體瓦蓋安裝銷孔預孔的鉆頭，最初選擇使用普通階梯麻花鉆(見圖7)，刀具后角為9°，使用的切削參數為轉速2 800 r/min，進給量為900 mm/min。刀柄使用鈷領的熱漲非標刀柄，刀柄懸長超過150 mm。由于刀具(含刀柄)的懸長過長，在較高的切削參數影響下，麻花鉆在切入的時候位置容易偏移，導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、刀具的懸長過長、切削參數過高。由于懸長無法改變，切削參數不能降低，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)，并適當地加大鉆頭的后角(后角增加為11°)來彌補直槽鉆進給量小于麻花鉆的缺陷，使用原來的加工參數，從而導致加工節拍的平衡。經過測試，刀具壽命與之前的預測壽命一致，可以加工450 件，即累計孔長83 m，滿足壽命要求。

4 鉸刀的優化

4.1 鉸刀部分結構參數對鉸削的影響

鉸刀的主偏角和其他刀具的主偏角一樣，影響整個切削力的受力方向，當主偏角過大時，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間過長，容易早造成內表面粗糙度值過大，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驗，6 刃鉸刀的效率是最劃算的，但是對稱型式的6 刃鉸刀經常出現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，這種非對稱結構可以很好地解決這一問題。在加工鑄鐵這類脆性材料時，鉸刀的螺旋角一般選擇0°即直槽鉸刀，因為脆性材料的切屑可以很快地排出。在加工通孔時，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 鉸刀切削參數對鉸削的影響

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

4.3 鉸刀優化的實例

我公司汽缸體瓦蓋安裝銷孔在預加工后，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，轉速為1 698 r/min，進給量為800 mm/min。使用的刀柄為鈷領的CM300 4299 16.263，刀柄懸長為156 mm。由于刀柄過長，液壓夾持不穩定，導致鉸刀切削部分跳動較大，在加工過程中經常出現鉸出來的孔徑偏大。

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

更改后采用的進給量為900 mm/min，此時加工出來的孔徑小于上限4 ～6 μm。在這樣的切削參數下，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。經過測試，加工壽命可以達到1 397 件，累計孔長將近49 m，滿足壽命要求。

［1］蘭天旭. 船用柴油機關鍵件切削專家系統的研究［D］. 鎮江:江蘇科技大學，2009.

［2］陳日耀. 金屬切削原理［M］.2 版. 北京:機械工業出版社.2002.01.

［3］上海市金屬切削技術協會. 金屬切削手冊［M］.3 版. 上海:上?？茖W技術出版社.1998.

［4］藍淵. 數控銑削加工切削參數優選專家系統的研究［D］. 西安:西北工業大學，2007.

［5］陳云，杜齊明，董萬福，等. 現代金屬切削刀具實用技術［M］. 北京:化學工業出版社.2008.

［6］殷保祖，周欣. 數控加工中心刀具切削參數專家系統設計與應用［C］.2005 年機械電子學術會議論文集，2004.