羅恒，趙為鑫，金宗毅，韓旭，閆兆彬，李明穎

1.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)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(yīng)用于汽車、航空航天等領(lǐng)域，其中應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋等鑄件領(lǐng)域最為廣泛。深孔加工是制造發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的重要工序，加工孔的深度大，排屑不暢，且實(shí)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(shí)際生產(chǎn)需求出發(fā)，通過(guò)改變切削用量、優(yōu)化切削參數(shù)，達(dá)到改進(jìn)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(shí)易斷屑及排屑困難。由于硅鋁合金凝固收縮，同時(shí)在熔融狀態(tài)下很容易溶入氫，導(dǎo)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(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中。

當(dāng)加工孔的深度和直徑之比L/D＞5時(shí)稱為深孔，深度和直徑之比L/D＞10時(shí)稱為超長(zhǎng)深孔[2]。本次鉆削研究的是長(zhǎng)徑比＞50的超深孔，超深孔加工過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)排屑不暢，從而導(dǎo)致崩刃，甚至?xí)斐傻额^折斷。

在半封閉式的細(xì)長(zhǎng)孔鉆削加工中，因?yàn)榍邢鳟a(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(yán)重，甚至?xí)嗟?，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(xué)模型建立

本文研究采用雙溝槍鉆對(duì)硅鋁合金缸蓋進(jìn)行深孔鉆削試驗(yàn)。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(duì)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(xué)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(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)確定被加工面的參數(shù)方程，其中砂輪的運(yùn)動(dòng)軌跡由砂輪的中心運(yùn)動(dòng)軌跡方程和砂輪軸的方向向量來(lái)確定，直接法適用于加工復(fù)雜的平面。反求法則是根據(jù)設(shè)計(jì)好的刀具幾何參數(shù)，反過(guò)來(lái)求解砂輪的幾何形狀和運(yùn)動(dòng)軌跡。雙刃槍鉆頭部的前刀面、后刀面都是平面，頭部是嚴(yán)格的中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此采用反求法來(lái)建立雙刃槍鉆數(shù)控刃磨的數(shù)學(xué)模型[6]。本文通過(guò)在雙刃槍鉆前刀面加一個(gè)斷屑槽（槽寬為0.5mm），使雙刃槍鉆前刀面變?yōu)檎敖牵纳破溷@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(shè)斷屑槽曲面與前刀面的交線為L(zhǎng)d，Ld與刃帶的交線為點(diǎn)C。過(guò)C點(diǎn)且與加工斷屑槽時(shí)砂輪端面平行的平面設(shè)為Sd，求出Sd面的解析表達(dá)式，即可建立斷屑槽的數(shù)學(xué)模型[7]。

由圖1可得C點(diǎn)的坐標(biāo)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(gè)前刀面之間的距離（mm）。此時(shí)，只需求出Sd平面的一個(gè)法向量即可。平面Sd的法向量相當(dāng)于單位向量i（1，0，0）繞yw順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（π/2）－φ＋λBn得到向量再將繞旋轉(zhuǎn)軸順時(shí)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(shí)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(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及要求

經(jīng)過(guò)改造的數(shù)控深孔鉆床如圖2所示，硅鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)缸蓋剖面

圖4 雙溝槍鉆結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的加工要求：孔的加工長(zhǎng)度為445mm，孔徑為8mm，預(yù)加工+加工+退刀，一共是45s左右，進(jìn)給速度＞760mm/min。為了使槍鉆在一條直線上穩(wěn)定前進(jìn)且符合阿貝原則，最終選擇直徑為8mm、長(zhǎng)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(yàn)

試驗(yàn)開(kāi)始，選用直徑8mm的硬質(zhì)合金槍鉆裝在深孔鉆床上，打開(kāi)經(jīng)過(guò)改造的數(shù)控深孔鉆床，空載運(yùn)行。由于槍鉆長(zhǎng)度為1042mm，若轉(zhuǎn)速達(dá)到理想值5000～6000r/min時(shí)，波動(dòng)較大，所以為了使槍鉆轉(zhuǎn)速可以達(dá)到理想值附近，在槍鉆中間增加一個(gè)支撐。

固定好槍鉆后，設(shè)置槍鉆初始轉(zhuǎn)速n=3000 r/min，無(wú)進(jìn)給量，觀察槍鉆在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)是否會(huì)彎曲。觀察發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速n=3000r/min時(shí)槍鉆無(wú)彎曲跡象，以200r/min為一個(gè)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(shí)槍鉆是否有彎曲跡象，發(fā)現(xiàn)當(dāng)n=4400r/min時(shí)，槍鉆有彎曲跡象，因此設(shè)定n=4200r/min為最高轉(zhuǎn)速。

確定最大轉(zhuǎn)速后，啟動(dòng)深孔鉆床，初始進(jìn)給量f=0.15mm/r，進(jìn)給深度450mm，編程完成后，進(jìn)行空刀運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，主軸會(huì)與支撐軸相撞，停車對(duì)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)方法是在主軸下方加裝頂桿，讓主軸推動(dòng)支撐軸一起運(yùn)動(dòng)，重新起動(dòng)深孔鉆床，觀察發(fā)現(xiàn)槍鉆平穩(wěn)前進(jìn)且到達(dá)指定位置。

確定最大轉(zhuǎn)速和初始進(jìn)給量后，將硅鋁合金缸蓋放置在被加工位置，起動(dòng)深孔鉆床，進(jìn)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(jìn)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(jìn)給需求，切削試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 切削試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)斷刀工件進(jìn)行切片（見(jiàn)圖5），發(fā)現(xiàn)刀具在加工過(guò)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(dòng)，當(dāng)?shù)毒呒庸さ揭欢ㄉ疃葧r(shí)，里面累積的切屑達(dá)到一定程度，就會(huì)整體抱住工件，刀具所受到的阻力就會(huì)成倍增加，刀具就會(huì)斷掉。切屑沒(méi)有排出的原因主要有兩個(gè)：一個(gè)是壓力，另一個(gè)是流量。6.5MPa的壓力參照經(jīng)驗(yàn)完全滿足需要；在流量問(wèn)題上，考慮優(yōu)化加工工藝，具體做法是在槍鉆加工深度達(dá)到200mm時(shí)，停止運(yùn)行1s，然后繼續(xù)運(yùn)行50mm，到達(dá)250mm時(shí)，再次停止運(yùn)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(shí)不易排出，短暫停滯有助于切屑排出，防止加工異常抖動(dòng)。

圖5 斷刀工件切片

觀察槍鉆抖動(dòng)，沒(méi)有進(jìn)行量化，觀察方式是通過(guò)槍鉆在深孔鉆削過(guò)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(wú)序尖銳，槍鉆在穩(wěn)定加工時(shí)按照編寫(xiě)程序以肉眼看不見(jiàn)的波動(dòng)穩(wěn)步前進(jìn)，到肉眼可見(jiàn)的微小振動(dòng)。因?yàn)闃屻@長(zhǎng)度超過(guò)1m，轉(zhuǎn)速最高可達(dá)4200r/min，在鉆尖處鉆削不暢，會(huì)產(chǎn)生輕微抖動(dòng)，槍鉆桿處會(huì)放大鉆尖處抖動(dòng)，肉眼便可以觀察到由槍鉆鉆尖處引起的鉆桿處微小振動(dòng)，出現(xiàn)抖動(dòng)時(shí)還會(huì)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(shí)際經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行定性分析，做出槍鉆是否抖動(dòng)的判斷。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)論

將雙刃槍鉆固定在深孔鉆床上，設(shè)定鉆床轉(zhuǎn)速n=4200r/min，進(jìn)給量f=0.19mm/r，工藝流程為槍鉆加工深度達(dá)到200mm時(shí)，停止運(yùn)行1s，然后繼續(xù)運(yùn)行50mm，停止運(yùn)行1s，以同樣的方式加工到445mm處，然后退刀。在試驗(yàn)過(guò)程中，雙刃槍鉆前半段與后半段均無(wú)明顯抖動(dòng)，且加工時(shí)磨損聲音較小，在光學(xué)測(cè)量?jī)x上觀察，槍鉆也無(wú)磨損痕跡。通過(guò)對(duì)比工藝改進(jìn)前后的切屑（見(jiàn)圖6）可知，改進(jìn)后的試驗(yàn)完全滿足要求，不會(huì)發(fā)生崩刃、過(guò)度磨損等現(xiàn)象。

圖6 工藝改進(jìn)前后切屑對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本次加工的難點(diǎn)是超深孔加工，在槍鉆中間增加一個(gè)支撐，并安裝頂桿，再通過(guò)加工工藝改進(jìn)和在雙刃槍鉆前刀面加一個(gè)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(guò)試驗(yàn)探究、工藝優(yōu)化和槍鉆鉆尖改進(jìn)等方法，解決了硅鋁合金類超深孔材料加工的難題。