汽缸体切削加工过程中的刀具优化

兰天旭

(北京汽车动力总成有限公司，北京 101108)

金属切削加工过程是一个多种不确定因素共同作用的过程，刀具和切削参数作为切削过程的重要影响因素在产品制造过程中起着举足轻重的作用。刀具结构参数及切削参数的优劣直接影响到加工的质量和效率，采用合理的切削加工参数可以充分发挥机床和刀具的性能。刀具结构参数及切削参数优化已经成为切削加工研究领域的一个重要分支，很多高校和公司都已经投入了大量的人力和财力进行刀具结构参数及切削参数优化的研究，部分已经取得了一定的成果［1］。

我公司B 系列发动机生产线采用国际先进机床设备，为了充分发挥机床的性能，铣刀选择了山特维克和肯纳，钻头、铰刀、丝锥选择钴领，镗刀选择玛帕，并使用了瓦尔特公司生产的展开式镗刀。但在实际生产过程中还是出现问题，为满足生产需要，对部分刀具进行了优化。

1 影响刀具切削过程的主要因素

在金属加工过程中，影响切削过程的因素很多，如机床功率、主轴跳动、冷却压力，切削液类型及浓度等，而最显著的是切削参数及刀具几何结构。在实际生产过程中，要根据因素整改时间的长短和成本来决定先更改哪个因素，是临时性更改还是永久性更改。

在众多影响因素中，切削参数的更改是最直接、最快的解决方式，但是这些因素对刀具寿命影响非常大，在不得已的情况下，切削参数必须选择在厂家推荐值和经验值的合理区间内。刀具几何结构一般指:刀具前角，影响切削力大小，根据加工性质合理选择;后角，与前角一起影响刀尖强度;刃倾角，影响排屑方向;主偏角，影响受力方向;副偏角，影响加工表面质量［2-3］。除了以上的角度之外，在不同的刀具中，几何结构有很大差异，具体因素在优化实例中体现。

2 面铣刀的优化

2.1 面铣刀部分结构参数对铣削的影响

面铣刀的主偏角决定切削力的方向，当主偏角为45°的时候，刀具所受的切削力在轴向和径向方向是相同的，随着主偏角的增大，刀具所受的径向力变大，轴向力变小;反之，径向力变小，轴向力变大［2-3］。除了影响刀具受力外，还对加工表面的粗糙度有一定的影响:

其中:Rmax为加工表面最大粗糙度值，f 为进给量;kr为主偏角;为副偏角。

面铣刀的副偏角影响切削加工残留高度，减小副偏角可以减小加工表面的粗糙度值，但是副偏角过小会增加刀具与已加工表面的摩擦，影响刀具的寿命，同时，增大副偏角会降低刀片的强度，也影响刀具的寿命［4］。

刀片的前角由加工性质决定，前角越大，刀片越锋利，刀片的强度越小;反之，刀片越钝，刀片强度越大。在粗加工过程中，刀片的切削深度较大而且不均匀，刀片受到的切削力也不均匀，为了保证刀片的强度，一般选择较小前角的刀片或者负前角刀片，精加工过程中，切削深度较小，刀片受力较小，一般根据加工材料的硬度选择较大前角的刀片［5］。

刀尖圆角半径同样由加工性质决定，粗加工对表面粗糙度的要求不高，一般选择刀尖圆角半径较小的刀片;精加工对表面粗糙度的要求较高，一般选择刀尖圆角半径较大的刀片，具体参考公式(2)。当工件的表面粗糙度要求很高，但还不至于使用磨削的时候，一般选择修光刃刀片(见图1)，修光刃的刀尖型式基本设计思想是在标准刀片的最大允许刀尖半径公差范围内调整刀尖的几何形状，使其近似于椭圆形状(见图2)，这样就可以不降低进给，减小副偏角的角度来减小加工表面的粗糙度值。

其中，Rmax为最大粗糙度值;f 为进给量;re为刀尖圆角半径。

在刀具结构中，除了以上内容，刀片的装夹方式对切削的影响也很大。在实际中，刀片的装夹分为平装和立装，具体见图3 与图4。

平装结构铣刀的刀体结构工艺性好，容易加工，并可采用无孔刀片。切削力方向的硬质合金截面较小，故平装结构的铣刀一般用于轻型和中量型的铣削加工。立装结构的刀片由于刀片采用切削力夹紧，夹紧力随切削力的增大而增大，因此可省去夹紧元件，增大容屑空间。由于刀片切向安装，在切削力方向的硬质合金截面较大，因而可进行大切深、大走刀量切削，这种铣刀适用于重型和中量型的铣削加工。

2.2 面铣刀切削参数对切铣削的影响

切削速度是切削参数中对刀片寿命影响最重要的一个因素，根据实际经验，当切削参数在合理范围内提高20%，刀具寿命将下降50%［6］。进给量小，后刀面磨损大，刀具寿命大幅降低。进给量大，切削温度升高，后刀面磨损也会增大，但较之切削速度对刀具寿命的影响要小，当然进给量大，加工效率也高。根据公式(1)和公式(2)可以看出，进给量太大，表面粗糙度越不好。切削深度的变化一般对刀具寿命影响不大，但要注意，切削深度较小或微小时，会造成不是切削而是刮擦或只是切削到工件表面的硬化层，刀具寿命就会下降。在粗开或加工处理后的工件时，应该在机床功率和工艺允许的范围内尽量加大切削深度，尤其是在加工缸体表面时，要注意氧化皮对刀具的损伤。

除了刀具本身的结构参数与切削参数对铣削过程影响较大之外，在铣平面时的铣削方式对铣削过程的影响也非常大。在精加工过程中，一般把顺铣作为首要选择。

2.3 面铣刀优化的实例

我公司缸体前后端面及顶面采用一把面铣刀加工，前后端面要求粗糙度为Ra1 ～4 μm，顶面粗糙度要求≤Ra2.5 μm。前后端面由于凸台比较多，断续加工严重，而顶面只有4 个缸孔、几个销孔和螺栓孔，属于连续稳定加工。

最初使用的刀具为山特维克590 - 200Q60S -11M 刀盘，主偏角为90°，共计18 个刀片，其中16 个普通刀片为R590 -110508H-KL 1020，每个刀片有两个切削刃，两个修光刃刀片为R590 -110504H - KTW 1020，每个刀片只有一个切削刃。加工顶面的切削参数为V=255 m/min，F =937 mm/min，加工前后端面的切削参数为V =255 m/min，F =640 mm/min。加工寿命大约为70 件，之后出现修光刃磨损严重，表面粗糙度不合格(粗糙度约为Ra3.0 μm)，缸体顶面有崩边情况(见图5)。

分析原因为修光刃刀片磨损(普通切削刃刀片几乎没有磨损)，没有起到修光作用，而且磨损的修光刃划伤缸体顶面。由于刀具主偏角为90°，刀具在离开缸体顶面时的切削力全部为横向切削力，过大的拉力使顶面最后的加工余量剥落，造成表面有崩边情况。

根据分析的原因，将刀盘上的修光刃刀片去掉，全部换成普通切削刃刀片，刀片更改为345R -1305M -KL 4230，每个刀片有8 个切削刃，并使用45°主偏角刀盘，刀盘更改为345 -200Q60 -13H，切削顶面和前后端面的参数改为一致，即V =300 m/min，F =1 146 mm/min。由于刀具齿数较多，刀具的每齿进给量相对变小，这样小的进给量弥补了没有修光刃造成的粗糙度差的缺陷，而且小的进给量可以减小刀具离开缸体顶面时的切削力，45°主偏角又将切削力分解到两个方向，避免了缸体顶面的剥落(见图6)。在首件加工检测后，缸体顶面和前后端面的粗糙度大约为Ra1.1 μm，在加工120 件左右的时候，缸体顶面的粗糙度达到Ra2.3 μm 左右，将刀具换下。与之前的刀具相比，寿命明显提高，而且所使用的刀盘比原来的刀盘价格大大降低，刀片使用数量减小，尤其是去掉了修光刃刀片，显著地降低了刀具的成本。

3 钻头的优化

3.1 钻头部分结构参数对钻削的影响

钻头的结构方式对钻削的影响非常大，因为钻头的排屑空间有限，在钻头的槽型、刃型等设计的过程中，要充分考虑被加工材料及加工情况。国内外著名的钻头公司，都针对不同材料及不同的深径比(孔深与直径的比值)设计出不同的刀具刃型及槽型。例如，肯纳的波刃钻和钴领的E 型钻尖型式，可以很好地解决加工过程中钻孔钻偏的问题，钴领的D 型钻尖型式可以很好地减小钻头在加工铸铁时钻尖的磨损。直槽钻和枪钻可以很好地解决麻花钻加工过程中出现位置度不好的现象，但是加工效率会稍微低于麻花钻。

钻头的几何结构对切削也有很大的影响。后角过小会导致钻头后刀面磨损严重，降低钻头的寿命，根据加工情况一般选择7 ～13°。刃口处理得过小或者过大也会导致钻头的崩刃，加工铸铁的钻头刃口一般处理为0.05 ～0.07 mm。棱边过宽会导致孔壁不光滑，增大切削阻力，造成刀具的折断，为了获得较好的孔壁，部分公司推出了双棱边钻头。国内外大部分生产钻头的公司都会根据各自的特点制定与本公司相符的钻头几何结构的标准。

3.2 切削参数对钻削的影响

钻头加工铸铁使用HSK 热涨刀柄的切削速度一般为70 ～90 m/min，过高的切削速度会导致钻头折断或者崩刃，大大地降低钻头的寿命，过低的切削速度会加剧钻头的磨损。进给量太小会导致后刀面磨损，降低钻头的寿命，进给量太大可能造成崩刃或者钻头折断。进给量一般根据钻头的型式、后角、直径进行适当的修改。

3.3 钻头优化的实例

我公司加工汽缸体瓦盖安装销孔预孔的钻头，最初选择使用普通阶梯麻花钻(见图7)，刀具后角为9°，使用的切削参数为转速2 800 r/min，进给量为900 mm/min。刀柄使用钴领的热涨非标刀柄，刀柄悬长超过150 mm。由于刀具(含刀柄)的悬长过长，在较高的切削参数影响下，麻花钻在切入的时候位置容易偏移，导致销孔的位置度不好。

造成这种情况的原因可能包括钻头的定心性不好、刀具的悬长过长、切削参数过高。由于悬长无法改变，切削参数不能降低，只好选择定心性更好的钻头。

后来选择定心性较好的直槽阶梯钻(见图8)，并适当地加大钻头的后角(后角增加为11°)来弥补直槽钻进给量小于麻花钻的缺陷，使用原来的加工参数，从而导致加工节拍的平衡。经过测试，刀具寿命与之前的预测寿命一致，可以加工450 件，即累计孔长83 m，满足寿命要求。

4 铰刀的优化

4.1 铰刀部分结构参数对铰削的影响

铰刀的主偏角和其他刀具的主偏角一样，影响整个切削力的受力方向，当主偏角过大时，铰刀受到的轴向力变大，径向力变小，使得加工出来的孔径变大;反之，孔径变小。铰刀刃带属于副后刀面，主要与已加工表面接触，如果刃带过宽，在切削过程中刀具与孔已加工表面接触时间过长，容易早造成内表面粗糙度值过大，甚至孔径过大;反之，容易造成孔径过小。大部分刀具公司都做过实验，6 刃铰刀的效率是最划算的，但是对称型式的6 刃铰刀经常出现折断或者表面有划痕的情况，为此大部分公司推出55°，60°，65°铰刀，这种非对称结构可以很好地解决这一问题。在加工铸铁这类脆性材料时，铰刀的螺旋角一般选择0°即直槽铰刀，因为脆性材料的切屑可以很快地排出。在加工通孔时，一般选择左旋右切的螺旋角铰刀，这样可以很好地解决排屑问题。铰刀的倒锥一般选择BT(0.02 ～0.1)/100。

4.2 铰刀切削参数对铰削的影响

当铰刀的切削速度过高时，容易造成孔径偏大，孔内表面粗糙度值过大，甚至造成铰刀的折断，反之;容易造成孔径偏小，同样也会造成铰刀的折断;当铰刀的铰削余量过大时，会导致铰刀的过快磨损，而且孔壁粗糙度不好;当铰削余量过小时，会导致铰刀没有进行真正的切削，仅仅是将被加工余量进行挤压，从而造成孔径偏小。进给量也会影响孔径的大小和孔壁的粗糙度，进给量太小，孔壁会出现振纹或孔大;进给量太大，会导致铰刀折断，孔壁粗糙度不好或孔径过小。

4.3 铰刀优化的实例

我公司汽缸体瓦盖安装销孔在预加工后，直径方向留有0.5 mm 余量，属于铸铁铰削的合理余量(一般为0.3 ～0.6 mm 之间)。使用的铰刀主偏角为45°，螺旋角为0°的六刃铰刀，转速为1 698 r/min，进给量为800 mm/min。使用的刀柄为钴领的CM300 4299 16.263，刀柄悬长为156 mm。由于刀柄过长，液压夹持不稳定，导致铰刀切削部分跳动较大，在加工过程中经常出现铰出来的孔径偏大。

造成这种情况的原因可能包括刀柄夹持力不足导致跳动太大、刀具的主偏角过大、刀具的进给量较小。由于前两种原因的更改过程较长，所以先采用加大进给的方式以改善加工效果，同时针对前两种原因进行刀具和刀柄的修改。

更改后采用的进给量为900 mm/min，此时加工出来的孔径小于上限4 ～6 μm。在这样的切削参数下，使用修改后主偏角改为30°的铰刀加工出来孔的直径在孔径要求的中值附近。经过测试，加工寿命可以达到1 397 件，累计孔长将近49 m，满足寿命要求。

［1］兰天旭. 船用柴油机关键件切削专家系统的研究［D］. 镇江:江苏科技大学，2009.

［2］陈日耀. 金属切削原理［M］.2 版. 北京:机械工业出版社.2002.01.

［3］上海市金属切削技术协会. 金属切削手册［M］.3 版. 上海:上海科学技术出版社.1998.

［4］蓝渊. 数控铣削加工切削参数优选专家系统的研究［D］. 西安:西北工业大学，2007.

［5］陈云，杜齐明，董万福，等. 现代金属切削刀具实用技术［M］. 北京:化学工业出版社.2008.

［6］殷保祖，周欣. 数控加工中心刀具切削参数专家系统设计与应用［C］.2005 年机械电子学术会议论文集，2004.