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半精加工凸轮轴孔镗刀的设计及应用 |
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作者：瓦尔特(无锡)有限公司 侯立中 李毅 |
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在柴油机行业中，缸盖上的凸轮轴孔的半精加工是其制造过程中的难点之一，其孔的尺寸精度、形位公差及表面粗糙度均有较高的要求，一般采用铰削加工。但铰削加工余量小，切削速度低，对大批量生产，尤其是在生产线上，难以达到高加工节拍的要求。并且高精度铰刀的制造成本高，刀具的初始投入和加工过程中刀片的消耗成本高，客户从经济性出发，难以接受。为此，我们设计并制造了凸轮轴孔半精镗刀。
一．凸轮轴孔半精镗刀的结构和特点
被加工件结构描述
在缸盖上有凸轮轴孔的表面加工完成后，将轴瓦镶好，并拧紧螺栓，使之成为一个整体。但合成后，由于毛坏余量不均等种种原因，则内孔及端面非常不规则，易造成刀具振动。在此序加工零件的要求为：内孔尺寸f42.5mm，五个孔的同轴度f0.03mm，表面粗糙度Ra1.6。
凸轮轴孔半精镗刀结构及特点
⑴工具柄部采用MAS403标准中的BT50号7:24锥柄，公差等级为AT3级，刀杆有效长度为388mm。刀具采用了整体式结构，增强了刀具刚性。
⑵切削部分采用两个轴向、径向均可调的WALTER小型刀夹FR671。便于调整刀具的端跳和径跳及刀具的尺寸精度。
WALTER小型刀夹FR671
双色镀层老虎刀片
⑶刀片采用CCMT060204-PS4 WAK10，拥有超强耐磨和辨别磨损情况的双色涂层老虎刀片，是铸件加工的专用刀片，切削性能及寿命提高75％。它降低了磨损、减少了消耗、提高工作效率。
⑷刀具采用了四条均匀分布导向块结构，能承受由于余量不均，引起的切削力不平衡，造成刀杆各方振动。且刀具自行导向，可增加刀具刚性，提高效率。
⑸刀具采用了中心冷却，油性切削液协助排屑，切削液的冷却作用主要是带走大量的切削热，降低切削温度；减少工件、刀具的热膨胀，提高加工精度。在切削过程中，刀具前刀面与切屑接触，发生剧烈摩擦，压力很高（1Gpa以上），切削液也起到边界润滑作用。
二．凸轮轴孔半精镗刀的部分设计参数的确定与选取
刀杆材料及热处理硬度的确定与选取
刀杆材料的选择，直接关系到刀杆的强度及刚性，是该刀具能否成功的关键。我们选择了相当于国内20CrMnTi的材料。生产工艺为：锻造、正火、粗加工、半精加工、热处理、精加工的工艺路线。毛坯在机加前需正火，其目的是为了改善锻造状态的不正常组织，以利于切削加工，保证零件合格。渗碳层厚度为0.8-1.2mm。渗碳后淬火，其表面层由于碳含量较高，表面在淬火低温回火后基本上是回火马氏体组织，具有很高的硬度及耐磨性，硬度为HRC53-58；其芯部由于Cr、Mn元素提高钢的淬透性的影响，此材料在淬火低温回火后可以获得回火低碳马氏体组织，具有高的强度和足够的冲击韧性的良好配合。因此，该材料经上述冷热加工和热处理后，所获得的性能完全满足技术要求。
刀杆上刀夹槽尺寸的确定与选取
根据被加工件内孔的尺寸，确定刀夹只能采取轴向安装，具体情况见图2。
FR671结构尺寸
导向块直径尺寸及精度的确定与选取
为保证镗孔时能平稳加工，刀体上有四个支撑条定位。刀片装配之后，对支撑条的径向圆跳动不得超过0.02mm。支撑条的引导角应等于刀齿的主偏角，同时支撑条的轴向端点（最低点）应低于刀尖0.5mm左右。根据我们的经验，支撑条的长度是直径的1-4倍，宽度是直径的0.2倍。由于支撑条的表面粗糙度值直接影响被加工孔的表面粗糙度值，为降低被加工孔的表面粗糙度值，常取支撑条的表面粗糙度Ra≤0.1µm。
从工作情况来看，有两条支撑条就可以了，即导向块位于刀夹槽的后面20°左右。这样布置可以使导向块承受切削力，以保证镗出的孔的尺寸精度和直线性。材料力学的弯曲变形理论说明，悬臂梁的末端变形量与其悬伸长度的3次方成正比
。增加支撑条后，由于悬臂长度大大减小，刀具刚性将极大好转。实践经验表明，在镗比较深的孔时，沿镗刀杆圆周焊接四条支撑条，将有效提高镗刀的刚性。增加的两条支撑条主要起阻尼作用，减少振动。支撑条除了起保证孔径尺寸精度和导向的作用外，由于它对孔壁的挤压和摩擦作用，对已加工孔的表面粗糙度有很大影响。
为保证支撑条有相应的挤压余量，减少被加工孔的表面粗糙度值，要求刀具中心到刀尖的半径不与刀具中心到导向块的半径重合。这个差值取决于被加工材料，铸铁件的加工：在被加工材料的硬度为HBS≤200时，支撑条与刀尖的半径-0.005mm～0.005mm；在被加工材料的硬度为HBS≥200时，支撑条与刀尖的半径0.002mm～0.02mm。
三．使用过程中的注意事项
主要切削参数
切削速度：100m/min
进给速度：150mm/min
主轴转速：750r/min
每齿进给：0.1mm/Z
使用前应注意检查支撑条边缘是否光滑，避免运输、储存等环节中对支撑条边缘的损伤影响加工质量。如果发现支撑条边缘有毛刺、崩口等不光滑现象，应及时用油石背光，以提高被加工件的尺寸稳定性，改善被加工件的表面粗糙度。
机床工作应稳定，工艺系统刚性要好，防止被加工件振动。
润滑液必需充足，浓度为15%左右。(end)
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(10/10/2004) |
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