提高发动机缸孔粗镗加工效率

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由于铸铁缸套预铸在毛坯内，缸孔粗镗与部分孔系加工集中在同一工序内，使其成为全铝材质发动机缸体生产线的加工瓶颈。为此，华晨金杯运用新的切削理论对刀具进行合理的优化，不仅降低了生产成本，而且实现了低功耗的高效加工。
+ r  ?" V) p# F3 b1.8T系列涡轮增压发动机
8 `5 j: r' X; d! k8 B* ~- k发动机（见图1）采用全铝材质，具有重量轻、散热条件好、能耗低等优点。在加工中，我们采用了主油道铸造成型、连杆撑断等多项新工艺；生产线则采用了高柔性的设计理念，机加设备以加工中心为主。
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图1   华晨1.8T系列涡轮增压发动机
9 a) n; X8 _1 c6 e找到问题所在
1 L* |' D# B7 _  X! {% A1.8T缸体生产线为全柔性生产线，除珩磨机以外所有加工设备均为加工中心（见图2）。发动机缸体（见图3）为全铝材质，铸铁缸套预铸在毛坯内，缸孔粗镗与部分孔系加工集中在同一工序内。由于铝合金是一种易加工材料，很容易实现高效率加工，而铸铁为加工性一般的普通材料，两种材料的可加工性相差很大。因此，缸孔粗镗加工成为缸体生产线的加工瓶颈，制约了缸体生产线产能的发挥。

图2   缸体生产线上的加工中心
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图3   发动机缸体为全铝材质
针对缸孔粗镗加工的具体情况我们进行了深入分析，以期获得更好的加工方案，提高缸孔的粗加工效率。
$ M5 ~6 [( j/ \缸孔粗镗的实际加工情况为：加工使用三刃镗刀（见图4），75°主偏角，0°的前角，刀片选用CBN材质。具体的切削参数：切削速度＝400m/min，每齿进给＝0.18mm，切削深度＝2.5mm；加工耗时42.5s。
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图4  缸孔粗镗使用的传统刀具——三刃镗刀
我们设计了几种不同的加工方案进行试切，经过对试切结果的分析，认为制约缸孔加工效率的原因主要有以下两点：
0 g4 M; v+ |2 s/ Q: M- C. ~1. 切削振动
0 `, h' q2 X4 V' N缸孔粗镗时产生的切削振动随切削速度的提高而增大， 限制了切削速度的提高。而且切削振动造成刀片易损坏，换刀频繁，致使设备开动率降低。
2. 主轴负载偏高
' E( C" w% X- g+ x华晨1.8T系列发动机为全铝发动机，机械加工以铝加工为主，为节能降耗且避免设备能力浪费，生产线未选用大功率的加工中心。因此，在加工铸铁缸孔时机床在满负荷状态下工作。由于机床功率的限制，不能通过增大进给量或增加切削刀片的数量来提高材料去除率。
5 Q7 ^( c3 }  ]- R; t6 D进行有效改进
为减小切削力、消除切削振动及提高加工效率，我们与某刀具厂商合作，设计了新型的缸孔粗加工镗刀（见图5）。与传统镗刀相比，新型镗刀具有以下几方面优点：
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7 ^! h/ w% f. `, u. [5 R图5  新型缸孔粗加工镗刀
& m# V) z3 y4 n6 }1． 切削角度
% K/ T) W- X& y（1） 正前角切削
通常认为加工铸铁等脆性材料的刀具应采用负前角以增加刀具强度，防止刀具崩刃破损。但在刀具的各项几何参数中，前角对切削力影响最大。在其他条件不变的情况下，刀具的前角越大，切削力越小。
. T' b4 y+ E& T/ q当前随着机床稳定性的提高及各种新型刀具材料的出现，采用大前角刀具加工脆性材料已经成为可能，因此新镗刀采用了正10°前角。与0°前角或负前角的传统镗刀相比，正前角的镗刀产生的切削力更小，在不降低切削参数的前提下可有效降低切削力，不但使切削更轻快，而且可有效减少切削振动的发生。
（2）90°主偏角
8 U1 p* @  T/ N- ~6 ]2 X径向切削分力是引起切削振动的主要原因，径向分力越大越容易引起振动。新镗刀采用90°主偏角，主切削刃上不产生径向切削分力。与采用小角度主偏角的刀具相比，极大地减小了径向切削分力，从而使切削过程更加稳定。
+ h& y  o2 a8 S  H2. 刀片装夹方式
7 ]2 e* c5 F" w' Y( d$ [% i* i: z采用普通装夹方式的CBN、金属陶瓷等超硬刀片，无法在刀片上做出正前角，而在刀具上做出正前角会增加刀片的安装和调整难度。
与普通装夹刀片相比，立装刀片可以很容易制作出大前角的刀片，且刀片可承受更大的切削力，使刀具的可靠性有所提高。立装刀片的前刀面不与刀具的其他部位或部件接触，容屑槽的设计受限较少、优化更加容易。相对于普通装夹方式的刀片，大多数情况下立装刀片的断屑效果更好，容屑空间更合理，排屑更加顺畅，更容易获得稳定的加工过程。因此，新镗刀刀片采用立装方式装夹。
  h* D5 J$ E6 `; d9 M- K5 p8 U" d3. 刀片材质及结构
, Z; u2 ^) v( [7 c陶瓷刀具是现代金属切削加工中的一种新型材料刀具，其特点为高硬度、高强度、高红硬性、高耐磨性及优良的化学稳定性和低摩擦系数。近几年随着各种添加物的使用及细化颗粒等技术的应用使陶瓷刀片的断裂韧度和抗冲击性能有了很大提高，目前已出现可用于冲击负荷下进行粗加工的陶瓷种类。而镗削加工为连续切削，切削过程中不产生冲击，因而在粗镗加工亦可采用陶瓷刀片。与CBN刀具相比，陶瓷刀具的摩擦系数更低，在相同条件下产生的切削力更小。因此，新镗刀放弃CBN刀片，选用更有利于稳定切削的陶瓷刀片。
: R. n6 K$ i. Q# s8 _为使陶瓷刀片具有足够的强度，经过多次对比试验，确定刀片采用刀尖角80°的W型刀片，刀尖半径0.8mm，同时刀具刃口及刀尖进行钝化处理。经过钝化处理的刀片消除了刃口微观缺陷，不但有效延长刀具寿命，而且使刀具刃口的强度得到增强，提高了切削过程的稳定性。
结论
针对新镗刀的特点，我们采用不同的加工参数进行了对比实验，最终确定加工参数为：切削速度＝500m/min，每齿进给＝0.12mm；切削深度为不可控量，未调整。由于新镗刀增加了切削刃的数量以及切削速度的提高，加工耗时降为30.5s，加工效率提高39％。由于新刀具在多方面采取的防振措施提高了加工过程的稳定性，基本上杜绝了刀片的异常破损，从而减少了换刀次数，提高了设备开动率。综合上述两种因素，缸孔粗镗所在的OP20工序生产效率提高6％左右。
从新镗刀的使用效果来看，充分利用新型刀具材料的良好性能，运用新的切削理论对刀具进行合理的优化不仅能够降低生产成本，而且能够实现低功耗的高效加工。
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