整体硬质合金精密高效直槽扩挤刀

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扩挤刀是汽车发动机高精度孔加工专用刀具。汽车发动机的进气管是发动机的重要部件，进气管喷油嘴孔的加工质量直接影响汽车的节油性能。过去加工喷油嘴孔大都使用国外进口的精密扩挤刀，价格昂贵，加工成本很高。为了降低加工成本，提高产品的市场竞争力，汽车刀具国产化已势在必行。下面介绍我公司开发的精密直槽扩挤刀的设计及制造要点。

1 被加工孔的特点

发动机喷油孔的加工工序如图1所示。工件材料为AlSi12(Cu)；加工机床为德国DMG60H卧式加工中心；切削参数为v＝3.5m/s，f＝0.14mm/r，冷却方式采用乳化液外冷。 . W" @' c; I4 n! v" k) K; K8 _! | l, m U/ d* {

图1	图2	图3
		图4

由图可知加工部位如下：扩f11±0.1mm和f14±0.1mm孔，锪f20mm沉孔及成型倒棱面，其中f14±0.1mm孔表面粗糙度要求达到R_a1.6µm。

在加工过程中，由于铝合金强度低，切屑变形大，将影响加工效果，而提高切削速度和加大进给量能减小切屑变形系数，因此采用高转速大进给量加工，能抵消一部分切屑变形。为了保证被加工孔的表面粗糙度值在R_a1.6µm以下，必须设计合理的刀具结构及参数，减小甚至消除积屑瘤，避免鳞刺的产生，防止出现振动，同时还应采取措施对已加工表面进行挤压，进一步降低粗糙度值。

2 刀具设计要求

1. 消除积屑瘤
   积屑瘤是切屑底层金属与前刀面发生冷焊造成的，适当增大前角，提高前刀面光洁度是消除积屑瘤的主要措施。通常增大前角的主要方法是采用右螺旋面和负偏距平面，但螺旋面是砂轮和工件通过螺旋运动合成的，磨削过程平稳性差，难以获得高光洁度的前刀面，而负偏距平面将降低刀具强度，也不宜采用。此时可采用正偏距平面，它虽使前角有所减小，但将增大切屑的脆性，使之易于断裂，是消除积屑瘤的有效措施。
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2. 消除鳞刺
   从金属切削原理可知，当切削速度较高时，减小前角可抑制鳞刺的产生，因此，采用正偏距平面除可消除积屑瘤外，还可有效抑制鳞刺的产生。
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3. 防止振动
   振动通常分为三种：自由振动、强迫振动和自激振动(即颤振)。自由振动和强迫振动与刀具无关；颤振是由振动本身从单向作用的外力获取能量来维持自己的振动，也叫自持振动，此种振动的大小与刀具设计合理与否密切相关。刀具切削时的受力情况如图2、图3所示。

当切削过程中遇到被加工材料的硬质点时，刀具两主切削刃所受主切削力F_z1、F_z2不相等，其径向分力F_Y1、F_Y2也不相等，由此导致刀具产生径向振动，并在加工表面上出现振纹，从而增大弹性系统(刀具)的阻尼，抑制振动的产生。图3中刀齿A即可起这种作用。此外，还可对已加工面进行熨压，降低孔的表面粗糙度值。

图4是图3刀齿A挤压工件时的局部放大图。在图4中，F₁＝FcosA，当F一定时，A越小，挤压力越大，有利于降低加工表面粗糙度。本设计中，Q面是利用?＝300mm的砂轮按图5参数磨出的，它能减小A值，获得较好的挤压效果。

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图5

3 具体参数的确定

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直槽扩挤刀主体结构的参数有6个，具体分布如图5所示。 " H8 n4 n" n: T& W( h) i7 `- K8 Y4 T

1. 偏距L % K5 q- n) U4 c/ ]1 J0 [/ n9 `
   L影响刀具的前角、刃倾角及切屑的流向，影响切入、切出的平稳性，L值越大，切削刃越长，切削过程也越平稳。但L值过大，将使刀具锋利度下降，对抑制积屑瘤及鳞刺的生长极为不利。通常取L＝0.7mm。
   5 G# L$ X/ d# P7 `% V
2. 芯厚K
   K值直接影响容屑空间大小及刀具强度，通常取K＝2.9mm。
3. 槽夹角q ' ~* i( y* B' c+ ~- N
   q主要影响容屑空间大小，通常取q=105°。
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4. 槽底圆角半径R % a# F4 I8 K, y8 |) q% O* Q
   R影响容屑槽的圆滑性，通常取R＝1mm。
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5. 圆柱刃宽b 6 @9 U( c0 @4 B: u' {& l- d
   刃宽影响刀具的挤压效果和加工平稳性，适宜的刃带宽度有支承、导向、稳定和消振作用。通常取b＝0.8mm。
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6. 背径D_r
   D_r影响图4中A值，D_r越小，A也越小，D_r值通常比工件直径小0.4～0.6mm。

4 制造要点

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制造精密高效直槽扩挤刀时，应注意两点：①尽量提高前刀面的光洁程度，使粗糙度值保持在R_a0.2µm以下；②确定合理的后角，并使后刀面粗糙度值保持在R_a0.4µm以下。

1. 前刀面的加工 1 ?% K2 C E M; e6 C2 ]0 U7 e
   为获得高质量的前刀面，应选用细粒度的金刚石砂轮，磨削线速度应达到50m/s以上，磨削方向如图6所示。由图可知，利用砂轮侧面磨削前刀面，且应沿槽深方向一次磨削到位，这样砂轮不易振动，可获得理想的粗糙度值。 6 C: K+ e5 Z! B9 x; U9 w' W/ W% P: C

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   图6 / I( Z: y. `2 E, W/ C9 |0 h

   图7

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2. 后刀面的加工 9 J8 o: [2 V& J
   加工后刀面的情况如图7所示。由图可知，斜置工件进行铲磨，增大X角，即能增大C₁值，获得较大轴向铲磨量，这样可获得较大轴向后角，而加工铝合金的刀具通常均需要较大后角。
   后刀面结构有两种：一种是将后刀面加工成平面后角，从图8可知，砂轮走刀方向应与折线L平行才能使后刀面无高点，因此需要三次走刀。此外，由于每次走刀方向不一致，必然产生明显的接刀痕迹，影响外观，且费工时。另一种是将后刀面加工成铲磨曲面，从图9可知，圆C是砂轮走刀方向，铲磨运动正是利用圆周运动和直线移动来合成的，很容易实现一次走刀完成后刀面的加工，加工效率高，尺寸精度易于控制，无接刀痕迹，外观漂亮。

比较后刀面的两种结构，以采用铲磨曲面较为合适，后角取9°～11°，最终加工的磨削进给量应取得很小，以便将后刀面粗糙度控制在R_a0.4µm以下。 8 h6 m( }! s* {6 d0 u3 @! }: E/ J! c

图8 t7 H/ i: h# Y, k, D m, `: l

图9

5 试验效果

图10所示为最终完成的扩挤刀设计型式。经某发动机生产厂家试验(使用机床和切削参数与本文第1节所列相同)，所加工的?14±0.1mm孔表面粗糙度值在R_a1.6µm以下，孔的表面质量稳定。国产扩挤刀可连续加工28000个孔，而进口刀具则只能加工21000个孔。 & B. ?3 l7 r1 E4 V8 r1 i2 ]! R* v8 J( U' @- ]0 o6 Q, r. R3 ~) ?/ d/ p7 o4 N3 C9 a5 m, \4 z; Q

图10