钻头钻尖角对铝合金材料加工清洁度影响分析

张观福　谢安　高帅

摘 要：铝合金材料具有重量轻、散热性好等特点，在发动机缸盖中应用尤为广泛，但铝合金材质较铸铁软，在加工过程中容易产生毛刺，某公司在加工缸盖通孔时，刀具出口产生大量的翻边毛刺，严重影响了零件加工质量&清洁度，本文从设备、材料、加工方法、加工环境四个方面进行剖析，找出了产生毛刺的根源，并得出了相应解决方法，具有较高参考价值。

关键词：铝合金缸盖；通孔；钻；翻边毛刺

1 缸盖材料介绍

发动机缸盖结构复杂，集油道、气道和水道于一体，而且工作条件恶劣，与缸体、活塞构成燃烧室，承受高温、高压作用。近年来，发动机功率的提高使得缸盖的工作温度和工作压力显著增加，这就要求制造材料具有良好的室温性能和高温性能。使用A356铝合金材料的缸盖能很好的满足以上要求。

A356合金是一个典型的Al-Si-Mg系三元合金，具有优秀综合性能的铸造铝合金。它不仅具有很好的铸造性能（流动性好、线收缩小、无热裂倾向），可铸造薄壁和形状复杂的铸件，而且通过热处理可达到较高的强度、良好的塑性和高冲击韧性的理想综合。同样由于该材料特性，造成了零件后续加工与其它类型加工不一样的问题。

2 问题现状

正常生产加工中，自然吸气缸盖各面钻孔后，通孔底部不产生毛刺。当换型加工增压缸盖，钻孔后，通孔底部有较大的翻边毛刺（如图1），且后工序清洗机无法去除，不仅影响后续装配及发动机清洁度，而且造成返修浪费。

3 现状分析与验证

由于缸盖的功能性问题，出现翻边毛刺的增压缸盖材料与自然吸气缸盖材料不一样，通过分析对比两种材料的特性发现，增压缸盖材料硬度稍低（较“软”），其延展性能更好，导致机加工过程中铝合金材料向边缘延展翻边，现用刀具无法去除。以下通过加工设备、材料、加工参数、加工刀具、加工温度等方面进行分析。

3.1 加工设备分析

零件加工所用的设备都以加工中心+成型刀具自动加工完成。如加工中出现瞬时进给、转速等不稳定问题，会造成刀具刃口切削厚度不一致，甚至导致刀具瞬时切削力过大造成断刀。由于两种材料缸盖使用的刀具和钻孔工艺&刀具一致，设备均为高精度加工中心，对各轴加工的移动有严谨密伺服检测系统进行实时检测监查，如有误差会准确报警信息反馈，查找机床各加工状态正常无报警。且对比不同机床的钻孔加工几乎都出现该通孔底部翻边毛刺问题。

3.2 零件材料分析

由于增压缸盖为了适应产品设计的要求，选用与正常生产缸盖铸造材料成分有差异，具体表现为硬度较自然吸气缸盖低，延展性较好，实际加工会出现相同刀具&参数下增压的零件表面比较多的毛刺。在材料成分满足要求的前提下通过热处理提高硬度（在要求范围内）验证，同样出现孔底边缘翻边毛刺，虽然零件铸造成分直接影响毛刺的产生，由于工艺特性要求，不能对其进行更改，所以材料分析不能解决通孔底部翻边毛刺问题。

3.3 加工参数分析

相同刀具，使用不同加工参数进行验证。理论上对于偏软的材料加工使用更慢的進给与较高的转速加工能改善加工毛刺效果。

分析毛刺形式，在通孔出口边缘为较厚毛刺，提高钻头转速及减小进给（降低每刃每转进给），减小切屑厚度（易去除毛刺），从而降低毛刺产生频次。通过上面的参数验证符合该规律。

通过多组不同参数验证，毛刺比之前有所减少、变小，但未能根本消除。通过单纯参数优化不能解决通孔底部翻边毛刺问题。

3.4 加工刀具分析

生产中使用的钻头刀具大部分都是标准刀具。但在对比分析发现在加工增压缸盖的钻头当中有两种不一样的钻头结构刀具，如图2：

对比发现，钻尖角度虽都为120°，但结构不同，第1种正常使用钻头尖端部分大（下文称为V型钻尖），第2种刀具钻头尖端部分小并含有部分平钻切削刃（下文称为E型钻尖）。

V型钻尖钻头：在孔即将钻通时，首先将待加工表面顶破，由于材质软，铝屑向四周延展裂开，因切削刃具有倾斜角度120°，使刀具不能有效切削，并在钻穿的过程中将材料挤向孔边缘产生毛刺。

E型钻尖钻头：在孔即将钻通时，平钻切削刃部分（远端）可以有效的切削，不会把钻尖挤破的材料挤孔边缘，而是通过两侧平切削刃把材料切除，能很好的消除翻边毛刺问题。检查增压缸盖上使用该类型刀具加工的孔，通孔底部边缘均无毛刺。

借鉴该方案对其余类似问题钻孔刀具进行结构优化，加工验证效果明显，优化后的通孔加工翻边毛刺全部解决，如图3。

根据以上经验，优化加工通孔的钻头钻尖类型结构（即：增加平切削刃，刃口无倾斜角度），可以有效提升通孔边缘清洁度。

借鉴以上经验教训，优化有特殊加工要求的标准V型钻尖刃尖角，经过大量验证得出V型钻头尖角为140°时其加工孔清洁度较优，钻头切削受力分析如图4：

钻尖在切削过程中，切削力F可分解为水平方向切削力F1、竖直方向切削力F2，其水平方向切屑力F1将铝屑挤压至边缘，而F1=Fcosα，余弦函数随着角度增大而减小，筛选几组钻尖角度进行验证（α>120°），关注钻孔表面质量及边缘清洁度，详细数据统计如表1：

由验证得知，钻头顶角在140°时为理想解决尺寸，而在150°时，由于钻头顶角变大，切削刃受到的力相对较大，对孔加工表面质量较为粗糙，如提高转速与降低进给虽然能得到较好的加工表面质量，但由于加工节拍超差不能使用，最终选定140°顶角钻头做为加工方案。

3.5 加工温度分析

若刀具加工过程中刃口处冷却效果不优，则导致材料熔化并粘附在切削刃处，特别是铝合金材料（其熔点较低）。铝合金材料在温度升高后其塑性增大，在高温高压作用下，切削刃口摩擦力变大，易粘刀，由于铝合金较“软”，所以容易产生积屑瘤，积屑瘤的残痕粘附在钻头前刀面（螺旋槽）上，使切屑液流出受阻，导致切屑变形大，收缩系数也大，切屑断面变厚。若积屑瘤粘附在刃口及后刀面，则导致刃口及后刀面剐蹭孔壁情况，导致孔壁质量变差，甚至有刀痕产生。

通过对刀具加工冷却系统分析，零件加工过程中刀具有内冷孔，通过内冷孔喷射出高达30bar压力进行冲洗、润滑及冷却，设备有高压流量监控，不会造成加工温度过高影响加工。

4 结束语

对于延展性好的铝合金材料，通过刀具优化能较好的解决钻孔清洁度差问题，同时优化后的刀具对正常生产的铝合金缸盖适用，同步提升其孔加工质量及清洁度。

参考文献：

[1]余凌智，高强耐热Al-Si-Cu-Mg合金的组织与性能研究，西安工业大学，2011.6.

[2]王祝堂，铝合金及其加工手册，中南工业大学，2000.

[3]魏国丰，加工铸铝合金时切屑用量对切削热的影响，工具技术，2009.