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浅析座圈粗加工刀具 |
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作者：上海通用汽车有限公司 刘桢 来源：AI汽车制造业 |
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粗加工对于加工过程以及工件的加工质量有着重要的影响。在发动机座圈孔面的加工中，由于粗加工刀具的改进，实现了更好的产品质量。
在发动机缸盖的座圈加工中，通常的加工工艺为：粗加工座圈底孔、精加工座圈底孔、压装座圈、粗加工座圈密封面和精加工座圈密封面。在整个加工过程中，每一个工步都是重要的环节。因为，加工好一个优质的座圈导管，是发动机缸盖加工的关键。
实际加工中，刀具的合理匹配和使用，以及精加工座圈的刀具的使用是必须重视的。以粗加工刀具为例，由于座圈的材料差异性，会直接影响到最终加工状况的差异性。故选择合理的粗加工刀具就可为接下来的最终加工创造条件，反之，则直接影响到最终加工的质量。因此，合理使用粗加工刀具的相关参数，选择合适的粗加工刀具，是我们必须注意的地方。
缺陷的产生
以某排量发动机气缸座圈加工为例。为了进一步提升发动机的性能，我厂对进气座圈的材料进行了调整，主要是增加了该种材料的表面硬度。但在随后的试切加工中，发现原来正常使用的刀具在加工了30～50件安装了新座圈的工件后，座圈密封面上的60°面出现了爆口现象（图1），刀具的使用寿命仅达到其先前实际寿命的15%。经过技术人员对所有进气座圈边缘有爆口的工件进行目检，我们发现缸盖的8个进气座圈中，不是所有的座圈都有爆口现象，有的是1个座圈边缘有1～3个爆口，有的是2～3个座圈上，在边缘出现1～3个爆口。
图1 座圈面上的缺陷
问题分析
根据加工过程中出现边缘崩口的现象，我们从下面几个方面来分析：
1.失效分析
图1所示的加工缺陷，如果不能及时发现，会使发动机在使用过程中，出现积碳、泄漏、燃油燃烧不充分、功率下降及冒黑烟等严重问题。因此，该类缺陷必须彻底予以解决。
2.座圈材料成分
表中所示为座圈的材料成分，可以看出铬、钼和钴的含量增加，直接增加了加工的难度（硬度值对照：222HV＝95HRB，372HV＝110HRB)。新旧座圈的硬度差异性很明显，因此综合起来比较，对加工刀具的要求有一定的提高。
3.表象分析
根据目检加工出现缺陷的座圈，我们发现产生爆口的进气座圈均是在压装后，座圈端面比座圈底孔加工孔口面略微高出一点。
4.加工工艺分析
该发动机的缸盖，共有8个进气座圈，8个排气座圈，其座圈加工分粗、精加工来完成。
当座圈压入后，首先由硬质合金刀片承担座圈44.7°面的粗加工（图2），该工步将精加工的60°面、44.7°面和30°斜面均先加工成44.7°斜面；接着再由刀具材质为CBN的刀具承担60°面、44.7°面和30°面的精加工（图3），且粗加工与精加工是在同一台机床上完成，即一次装夹完成座圈的粗、精加工内容。按上述的加工工艺，在平时的实际生产中，工件质量与刀具寿命均符合设定的技术要求（粗加工的硬质合金刀具寿命340件，精加工的CBN刀具寿命340件）。
图2 完成座圈44.7°面的粗加工
图3 精加工其余加工面
解决过程
解决问题，一般应遵循以下原则：选择顺序由简单到复杂；由可能的主要方向到一般分析的可能原因；由高概率出现到低频率的可能。
1.调整配合高度加以验证
根据以上分析，我们首先从座圈压装以后的配合高度来验证。这种细小的落差是否会影响到加工中出现的爆口缺陷。选择理由：由于座圈的表面硬度比原先的硬度高，因此也就增加了其脆性度，而且座圈端面又略高于底孔孔口，在刀具的挤压下，座圈侧面没有阻力就容易产生爆口。
根据这种假设，在不超差的前提下，尽量增加座圈底孔的加工深度，使压入的座圈基本上低于座圈底孔的孔口表面。
利用原先的刀具进行加工验证，结果：试切10件，10件工件均未发生爆口现象。基于状况大有改善，再尽可能加深底孔，让压入的座圈基本低于毛坯的情况下来验证加工。先用原来的CBN刀具FT01（新刀片）进行试验，在加工到50件后又发现了爆口现象，说明此座圈与底孔的配合落差不是直接原因。
2.调整参数
切削参数的调整是解决问题过程中比较方便的手段。通过降低精加工刀具的切削力，来改变这种状态。针对不同的刀具，用不同的加工参数进行试验。如对材质为FT05的CBN刀具，将原来0.09mm/r降低到0.07mm/r，状态仍未改变，后又调整到0.06mm/r、0.05mm/r，甚至调整到0.04mm/r，爆口情况仍有发生。所以，进给量的调整没有效果。
接下来选择精加工刀片材料的变化和切削角度的改变来试验解决这个崩口问题。更换预先准备的各种不同材质和不同后角的刀具，均未取得预期的效果。有的仅加工1～2件就有爆口，有的加工10件就有爆口。因此试图通过改变现有精加工刀具材料是无法消除爆口状况的。
3.粗加工参数调整
重新审核加工过程中的各种工艺、刀具，假如粗加工的硬质合金刀片在加工较硬材料时，发生了比原先更快的磨损，这时候，刀具的钝化直接加剧对座圈产生挤压而出现爆口。尽管粗加工是44.7°面，但由于粗加工是将整个座圈都加工成44.7°的，60°面是在44.7°面的基础上进行的精加工，如果在加工44.7°面时就已经产生了爆口，而60°面的精加工若不能把爆口完全切削掉，即最后60°面会产生爆口现象。
根据这种分析进行了第3次试切加工，仍使用原有的刀具和切削参数，当粗加工刀具切削到40件、50件和60件时，分别进行检查，发现基本上到50～60件时，粗加工的刀具磨损情况已较为严重，于是把粗加工的硬质合金刀具寿命设为60件，再进行试验，期间未发生爆口的情况。
解决方案
试验结果告诉我们，原先使用的刀具产品无法满足使用寿命要求，必须更换或者重新选择粗加工的刀具材料。刃口锋利的硬质合金刀具，在加工较软材料时，有其优势，因此刀具使用寿命也比较高。但锋利刃口在加工比较硬的材料时，其刃口磨损加快，容易造成对加工面的挤压，直致出现边缘崩口。因此，解决问题的思路调整为：增加刀片表面的耐磨性；微钝处理刀片的主切削刃刃口，减少初始磨损的加快程度。
目前可选择的解决办法，就是调整刀具材质，以降低磨损的速度，从而提高刀具的使用寿命。把粗加工的刀具材质从原来的硬质合金改为涂层硬质合金刀片，选择微钝刃口的主切削刃，如涂层为TiAlN的硬质合金刀片。恢复座圈底孔的深度，调整其到中间值，再进行试验，得到了非常好的效果，在座圈密封面未发生爆口前的刀具寿命在600件左右，使用寿命大大提高。
结语
一般的机械加工中，我们通常不太注意粗加工刀具的加工情况，认为粗加工仅仅是为了减少精加工的加工余量，是为了精加工的加工质量而进行的预加工，而精加工刀具才是决定产品质量的关键。因此，在实际使用时，较为注重精加工的状况，而忽视粗加工的加工状况。
从上述案例中可以看到，粗加工的好坏对精加工起了较为关键的作用，因此，“粗”并不是不要关注，加工的前后状况往往直接影响到最终的质量。粗加工刀具的选择是否合适，在机加工过程中也应引起足够的关注。 (end)
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(9/2/2008) |
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