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整体硬质合金精密高效直槽扩挤刀 |
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作者：湖南钻石硬质合金工具有限公司 方曙璋 |
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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。
图1
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Ra1.6µm。
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Ra1.6µm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。
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。
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。 
图2 图3
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Fz1、Fz2不相等，其径向分力FY1、FY2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。
图4
3 具体参数的确定
直槽扩挤刀主体结构的参数有6个，具体分布如图5所示。
图5
1) 偏距L
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。
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
q主要影响容屑空间大小，通常取q=105°。
4) 槽底圆角半径R
R影响容屑槽的圆滑性，通常取R＝1mm。
5) 圆柱刃宽b
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。
6) 背径Dr
Dr影响图4中A值，Dr越小，A也越小，Dr值通常比工件直径小0.4～0.6mm。
4 制造要点
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Ra0.2µm以下；②确定合理的后角，并使后刀面粗糙度值保持在Ra0.4µm以下。
1) 前刀面的加工
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。
图6
2) 后刀面的加工
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。
图7
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。 
图8 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Ra1.6µm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。
图10
(end)
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(10/28/2005) |
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