提高發(fā)動機缸孔粗鏜加工效率

由于鑄鐵缸套預鑄在毛坯內(nèi)，缸孔粗鏜與部分孔系加工集中在同一工序內(nèi)，使其成為全鋁材質(zhì)發(fā)動機缸體生產(chǎn)線的加工瓶頸。為此，華晨金杯運用新的切削理論對刀具進行合理的優(yōu)化，不僅降低了生產(chǎn)成本，而且實現(xiàn)了低功耗的高效加工。
    華晨1.8T系列渦輪增壓發(fā)動機是華晨金杯自主研發(fā)的具有世界先進水平的汽油發(fā)動機。發(fā)動機（見圖1）采用全鋁材質(zhì)，具有重量輕、散熱條件好、能耗低等優(yōu)點。在加工中，我們采用了主油道鑄造成型、連桿撐斷等多項新工藝；生產(chǎn)線則采用了高柔性的設計理念，機加設備以加工中心為主。

圖1   華晨1.8T系列渦輪增壓發(fā)動機

找到問題所在
    華晨1.8T缸體生產(chǎn)線為全柔性生產(chǎn)線，除珩磨機以外所有加工設備均為加工中心（見圖2）。發(fā)動機缸體（見圖3）為全鋁材質(zhì)，鑄鐵缸套預鑄在毛坯內(nèi)，缸孔粗鏜與部分孔系加工集中在同一工序內(nèi)。由于鋁合金是一種易加工材料，很容易實現(xiàn)高效率加工，而鑄鐵為加工性一般的普通材料，兩種材料的可加工性相差很大。因此，缸孔粗鏜加工成為缸體生產(chǎn)線的加工瓶頸，制約了缸體生產(chǎn)線產(chǎn)能的發(fā)揮。

圖2   缸體生產(chǎn)線上的加工中心

圖3   發(fā)動機缸體為全鋁材質(zhì)

    針對缸孔粗鏜加工的具體情況我們進行了深入分析，以期獲得更好的加工方案，提高缸孔的粗加工效率。
    缸孔粗鏜的實際加工情況為：加工使用三刃鏜刀（見圖4），75°主偏角，0°的前角，刀片選用CBN材質(zhì)。具體的切削參數(shù)：切削速度＝400m/min，每齒進給＝0.18mm，切削深度＝2.5mm；加工耗時42.5s。

圖4  缸孔粗鏜使用的傳統(tǒng)刀具——三刃鏜刀

我們設計了幾種不同的加工方案進行試切，經(jīng)過對試切結(jié)果的分析，認為制約缸孔加工效率的原因主要有以下兩點：
1. 切削振動
    缸孔粗鏜時產(chǎn)生的切削振動隨切削速度的提高而增大， 限制了切削速度的提高。而且切削振動造成刀片易損壞，換刀頻繁，致使設備開動率降低。
2. 主軸負載偏高
    華晨1.8T系列發(fā)動機為全鋁發(fā)動機，機械加工以鋁加工為主，為節(jié)能降耗且避免設備能力浪費，生產(chǎn)線未選用大功率的加工中心。因此，在加工鑄鐵缸孔時機床在滿負荷狀態(tài)下工作。由于機床功率的限制，不能通過增大進給量或增加切削刀片的數(shù)量來提高材料去除率。
進行有效改進
    為減小切削力、消除切削振動及提高加工效率，我們與某刀具廠商合作，設計了新型的缸孔粗加工鏜刀（見圖5）。與傳統(tǒng)鏜刀相比，新型鏜刀具有以下幾方面優(yōu)點：

圖5  新型缸孔粗加工鏜刀

1． 切削角度
（1） 正前角切削
    通常認為加工鑄鐵等脆性材料的刀具應采用負前角以增加刀具強度，防止刀具崩刃破損。但在刀具的各項幾何參數(shù)中，前角對切削力影響最大。在其他條件不變的情況下，刀具的前角越大，切削力越小。
    當前隨著機床穩(wěn)定性的提高及各種新型刀具材料的出現(xiàn)，采用大前角刀具加工脆性材料已經(jīng)成為可能，因此新鏜刀采用了正10°前角。與0°前角或負前角的傳統(tǒng)鏜刀相比，正前角的鏜刀產(chǎn)生的切削力更小，在不降低切削參數(shù)的前提下可有效降低切削力，不但使切削更輕快，而且可有效減少切削振動的發(fā)生。
（2）90°主偏角
    徑向切削分力是引起切削振動的主要原因，徑向分力越大越容易引起振動。新鏜刀采用90°主偏角，主切削刃上不產(chǎn)生徑向切削分力。與采用小角度主偏角的刀具相比，極大地減小了徑向切削分力，從而使切削過程更加穩(wěn)定。
2. 刀片裝夾方式
    采用普通裝夾方式的CBN、金屬陶瓷等超硬刀片，無法在刀片上做出正前角，而在刀具上做出正前角會增加刀片的安裝和調(diào)整難度。
    與普通裝夾刀片相比，立裝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。立裝刀片的前刀面不與刀具的其他部位或部件接觸，容屑槽的設計受限較少、優(yōu)化更加容易。相對于普通裝夾方式的刀片，大多數(shù)情況下立裝刀片的斷屑效果更好，容屑空間更合理，排屑更加順暢，更容易獲得穩(wěn)定的加工過程。因此，新鏜刀刀片采用立裝方式裝夾。
3. 刀片材質(zhì)及結(jié)構(gòu)
    陶瓷刀具是現(xiàn)代金屬切削加工中的一種新型材料刀具，其特點為高硬度、高強度、高紅硬性、高耐磨性及優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和低摩擦系數(shù)。近幾年隨著各種添加物的使用及細化顆粒等技術(shù)的應用使陶瓷刀片的斷裂韌度和抗沖擊性能有了很大提高，目前已出現(xiàn)可用于沖擊負荷下進行粗加工的陶瓷種類。而鏜削加工為連續(xù)切削，切削過程中不產(chǎn)生沖擊，因而在粗鏜加工亦可采用陶瓷刀片。與CBN刀具相比，陶瓷刀具的摩擦系數(shù)更低，在相同條件下產(chǎn)生的切削力更小。因此，新鏜刀放棄CBN刀片，選用更有利于穩(wěn)定切削的陶瓷刀片。 
    為使陶瓷刀片具有足夠的強度，經(jīng)過多次對比試驗，確定刀片采用刀尖角80°的W型刀片，刀尖半徑0.8mm，同時刀具刃口及刀尖進行鈍化處理。經(jīng)過鈍化處理的刀片消除了刃口微觀缺陷，不但有效延長刀具壽命，而且使刀具刃口的強度得到增強，提高了切削過程的穩(wěn)定性。
結(jié)論
    針對新鏜刀的特點，我們采用不同的加工參數(shù)進行了對比實驗，最終確定加工參數(shù)為：切削速度＝500m/min，每齒進給＝0.12mm；切削深度為不可控量，未調(diào)整。由于新鏜刀增加了切削刃的數(shù)量以及切削速度的提高，加工耗時降為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過程的穩(wěn)定性，基本上杜絕了刀片的異常破損，從而減少了換刀次數(shù)，提高了設備開動率。綜合上述兩種因素，缸孔粗鏜所在的OP20工序生產(chǎn)效率提高6％左右。
    從新鏜刀的使用效果來看，充分利用新型刀具材料的良好性能，運用新的切削理論對刀具進行合理的優(yōu)化不僅能夠降低生產(chǎn)成本，而且能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗的高效加工。