PCD面銑刀切削刃對低剛性的缸蓋面的毛刺影響

杜江

摘要：在夾具系統剛性不足的情況下，鋁合金缸蓋燃燒室和覆蓋面很容易出現毛刺。文中介紹了PCD 銑刀出現毛刺的原因。研究PCD 面銑刀切削刃的幾何參數對于毛刺影響的研究。提出了一種在剛性不足的切削系統下，達到既沒有振紋又沒有毛刺的方法。

Abstract： In the case of insufficient rigidity of adapter plate system， the aluminum alloy cylinder head fire face and cover surface are prone to burr. The influence of cutting edge geometric parameters of PCD face milling cutter on burr is studied. This paper presents a method to achieve no chatter mark and no burr in the cutting system with insufficient rigidity.

關鍵詞：缸蓋;PCD面銑刀;毛刺;切削刃幾何參數

Key words： cylinder head;PCD face milling cutter;burr;cutting insert geometry parameter

中圖分類號：V261.23 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0010-02

0 ?引言

鋁合金材料廣泛使用在缸蓋的發動機鑄造中。汽車缸蓋一般使用的都是含硅量7%的鋁合金，具有很高的延展，缸蓋表面很容易產生毛刺。并隨著現在對于發動機的輕量化設計，缸蓋箱體更加輕薄、復雜導致面銑刀在切削面上刀具極容易振刀。加工缸蓋面一般選擇PCD面銑刀，PCD面銑刀刀片具有很高的硬度、高耐磨性、良好的導熱性和低摩擦系數等優點[1]，但是存在可加工性差、刀具幾何角度單一、易崩刃、價格昂貴等缺點。所以在實際應用當中PCD 面銑刀切削刃多采用負倒棱幾何角度，更加容易造成加工件表面毛刺、振紋，大大降低刀具壽命和增高刀具成本。

1 ?表面毛刺的形成原理

1.1 毛刺的定義

毛刺是指在工件切削工程中，切屑與工件分離時，殘留在工件面與面相交處所形成的刺狀物或飛邊[2]。也就是說毛刺是殘余在已經加工表面邊緣的棱上的切屑，是應該去除的部分。其實毛刺是刀具切削剛要離開工件時一種特殊的切削形式所產生的切屑。

1.2 毛刺的形成過程

如圖1所示，我們模擬產生毛刺的過程：第一步是正常切削，只在A區域發生塑性形變彎曲，其他區域發生彈性變形，形成正常的切屑并且產生的塑性形變都發生在切屑層上面會被切屑帶走;第二步刀具繼續切削，走刀要接近未加加工表面的邊上時，由于工件棱邊支撐強度低，進而產生塑性彎曲和塑性剪切滑移變形[3]，并且因為工件棱邊無法支撐非常大的刀尖擠壓力，有一部分塑性變形已經發生在切屑層下方的B區域位置。第三步，刀尖切出工件時，工件的塑性彎曲形變已經在切屑層下方無法被刀尖切除，故未斷掉的切屑會以刀尖點為旋轉點逆時針旋轉，連接在已加工表面形成毛刺。

2 ?面銑刀加工工藝

燃燒室面粗糙度要求：Rz16、Rmr≥90%、Rmax<12。因受限制于工裝夾具，故只能選用直徑為：140mm，厚度為：13mm，14個切削刃，2個修光刃的面銑刀。修光刃幾何尺寸：雙lead20°-45°，lead寬度是1mm，相接R100圓弧，軸向前角：4°，徑向前角5°。切削刃：lead角度45°寬度是0.3，副偏角5°，負倒棱0.1×20°。切削深度是ap0.5。加工參數：S：5700r/min，F：8000mm/min。

3 ?切削刃幾何參數與毛刺大小關系

3.1 改變切削刃幾何參數原因

此前切削刃沒有負倒棱的時候，切削力小，切削刃產生的毛刺會被修光刃去除大部分不影響工件質量，為解決切削刃經常發現崩刃，切削刃使用負倒棱來增加刀片強度解決崩刃問題，但僅僅加工1000件就會產生大量毛刺。在夾具剛性不足的前提下我們為了去毛刺使用的常用的方法，增加的更多的修光刃但卻增大了切削力導致工件位置度超差，增加修光刃的前角，改變修光刃的lead，修光刃刀片更加鋒利卻容易發生崩刃。故我們重點放在切削刃的幾何參數進行優化。

3.2 切削刃的不同負倒棱角度的比較

控制變量：①使用相同的工件。②機床使用的是GROB G520。③相同加工參數。④冷卻液使用的是8%濃度的乳化液。⑤使用相同的修光刃及相同的調整方法。⑥切削刃其他幾何參數和材質不變。自變量：切削刃分別使用C1、C1和C3這3種刀片負倒棱角度分別設定為A1=0.1×20°、A2=0.1×10°和A3=0.1×5°因變量：毛刺產生和崩刃情況。實驗方法：將此刀加工工件，研究隨著壽命增加最終加工件是什么失效形式。試驗結果如表1。

3.3 切削刃lead不同寬度的比較

控制變量中切削刃的負倒棱均使用0.1×10°其余變量保持不變和實驗方法保持不變。自變量：切削刃分別使用K1、K1和K3這3種刀片lead角度45°，lead寬度分別設定為B1=0.5、B2=0.3和B3=0.1。試驗結果如表2。

3.4 切削刃的不同lead角度比較

控制變量中切削刃的負倒棱均使用0.1×20°。其余變量保持不變和實驗方法保持不變。自變量：切削刃分別使用L1、L1和L3這3種刀片lead寬度0.3，lead寬度分別設定為B1=0.5、B2=0.3和B3=0.1。試驗結果如表3。

4 ?切削刃幾何參數與毛刺關系分析

刀具順時針旋轉時一般缸蓋面主要產生的毛刺是切削方向出口毛刺和進給方向出口毛刺。

4.1 切削方向出口毛刺分析

如圖2所示當刀具脫離工件時，切削刃上的點脫離工件的順序EOS共有6種組合，通過科學的實驗驗證得知EOS按ABC-BAC-ACB-BCA-CAB-CBA的順序產的毛刺逐漸增大，故我們盡量使切削刃的前角符合ABC這個順序，通過實驗研究徑向前角R1和軸向前角R2 6°是最佳的。[3]由之前切削刃負倒棱角度數據轉換得，C2刀片的R1=-5°，R2=-6°，C3刀片的R1=0°，R2=-1°，與最佳度數對比C3的前角更接近最佳度數故毛刺最少，綜合崩刃等因素故選擇C2的負倒棱角度。

4.2 進給方向出口毛刺分析

如圖3所示為毛刺形成示意圖，ω是工件端面材料擠壓，剪切變形的開始時距離工件端面的距離，θ是工件發生剪切滑移時所形成的剪切角。根據Sumng-Lim KO和David A.Dornfeld推導出的毛刺高度預測模型[4]理論分析，毛刺H高度隨著ap 、ω、θ減小而減小。ω隨著進給方向分力增大而增大，θ角度隨著lead角度增大而增大，并隨著軸向切削力增大而增大。因切削余量不大所以lead角度對于進給方向分力和刀具軸向分力影響不大，從而lead角度對于ω、θ的影響不明顯。隨著lead寬度減小，相當于切削深度減小故H高度減小。

5 ?總結

本文總結出缸蓋面在剛性不足的工裝夾具上，通過做對比試驗證明使用不同的切削刃的幾何參數對毛刺的影響。①毛刺隨著負倒棱角度增大而增大，但過小的負倒棱角度容易產生崩刃。②毛刺隨著lead的寬度減小而減小，但過小的lead也會產生崩刃。③在切削余量不大的情況改變lead的角度對毛刺影響不大，但減小軸向切削力對毛刺大小是有一定改善。

參考文獻：

[1]吳修彬，李英，孫貴斌.超硬刀具在高速銑削發動機缸體缸蓋中的應用[J].現代零部件，2012（3）：44-46.

[2]沈宇峰，何幸保，劉媛媛.金屬切削毛刺形成與控制技術研究及發展[J].現代刀具設計與應用，2018（52）：10-14.

[3]羅蒙.金屬切削過程中毛刺形成機理及控制方法的研究 [D].上海：上海交通大學，2007.

[4]Sung-Lim Ko，David A.Dornfeld. Analysis of fracture in burr formation at the exit stage of metal cutting[J]. Journal of Materials Processing Technology 58（1996）.