柴油机缸体切削刀具配置和优化

和文云 钟 韬

（1.昆明工业职业技术学院 云南安宁 650302；2.昆明云内动力股份有限公司 昆明 650200）

高速切削技术的发展过程中，刀具技术起到非常关键的作用。高速切削技术发展一个障碍就是切削刀具材料的耐高温和耐磨损问题。在近几十年的发展历程中，高速切削机床、高速刀具系统和高速切削工艺是高速切削的三项主要技术[1]，当前，高速切削刀具材料和刀具制造技术也发生了巨大的变化，新材料、新工艺不断出现，刀具材料也从高速钢、硬质合金发展到涂层硬质合金、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具和金刚石刀具。高速切削对刀具的性能不断提出新的要求，而刀具技术的发展，又有力地促进了高速切削技术的发展和应用。

根据4D42ZL柴油机缸体材料为牌号GG25灰铸铁，硬度 HB180～245，加工设备以数控加工中心为主柔性线。在以上基础上正确选择刀具材料和优化切削参数，是保证高速切削能够达到预期效果的重要环节。目前，高速切削参数还没有像普通切削加工可以通过有关切削手册来查询选择，对于每一种刀具也还没有特定的公式来确定最佳的切削参数组合，需在实际生产中根据所加工的材料、工序特征等，通过试切削加工和生产确定最佳的切削速度和进给速度，供大家参考。

1 4D42ZL柴油机缸体加工刀具的配置

刀具配置方案在工艺规划阶段已经决定它的大致方向，包括刀具所能实现的效率和所提供的精度要求，从另一个角度看，刀具配置方案的合理，又是完善和优化工艺的基础，两者之间相辅相成。从4D42ZL缸体的工艺节拍分析，整个柔性生产线中，需要用到85%以上的高速刀具。刀具本着高速、高效、稳定、降本的原则进行配置。

2 缸体加工刀具的类型

4D42ZL缸体加工主要以孔系和面系加工为主。切削刀具主要分为钻削刀具、丝锥、铰刀、镗刀、面铣刀等。

3 缸体加工刀具的选型

3.1 钻削刀具

缸体上孔径小的孔系数量最多，钻削刀具是缸体加工用量最大的一类刀具，占据了加工刀具的40%左右，尽管加工要求相对较低，但由于加工量大，需要换刀，对节拍快慢起着重要作用。缸体的钻削刀具主要分为普通钻和深孔钻两种。

3.1.1 普通钻

普通钻针对长径比小于5的孔，高速钻削采用整体硬质合金内冷涂层麻花钻，钻头工作部分较短，钻芯加粗以增加刚度；钻头切削刃靠近钻削中心，横刃较短以减小切削力，钻头顶角做成 140°，如图1所示。普通钻头切削速度一般在90～120m/min左右。通过切削试配，在定位简单，加工要求低的部位，例如螺纹底孔、过孔，选择国产刀具，而针对加工要求高或难度大的孔，选择进口刀具，加工质量更稳定。对于大直径的孔（Φ25以上），用整体硬质合金钻头，崩刃或磨损后整体报废，重磨使用几率不高，刀具成本高。大孔径孔加工采用可转位刀片配钻杆或硬质合金齿冠钻头，成本较低[2]，但可转位钻头的加工精度相对较低，在形位公差较高的孔，不宜采用。

图1 内冷钻头钻尖形状

为了节省加工时间，部分刀具采用钻铰孔一体刀具，通过试配 “G”钻，如图2所示，实现钻铰一次加工，减少了3-Φ16H8的加工时间，为降低切削刀具数量，提高耐用度创造了条件。

图2 Φ16H8“G”钻示意图

3.1.2 深孔钻

深孔钻削一直是缸体加工的难点。在缸体的深孔加工中，主要以枪钻和整体硬质合金强力抛物线钻头为主。强力抛物线钻头在直径小于Φ5 mm或20倍长径比以内的孔比枪钻产生的进给速度快，刀具寿命高，而20倍长径比以上的孔则枪钻更为有利，因为超长的整体硬质合金更易断损。

3.2 丝锥

缸体作为铸铁材料，螺孔加工宜用丝锥耐用度较高、损耗不大的一类刀具。采用国产的整体硬质合金内冷直槽丝锥，已充分实现工艺节拍的50m/min切削速度要求。随着CNC数控技术的应用和刀具的高速发展，对螺纹的加工已由简单的攻丝发展到铣螺纹和挤压螺纹等多种形式。螺纹加工刀具的合理选择与否，对加工质量和效率有重要影响。对规格相同、数量较多、一般精度的螺纹加工，从效率和经济性出发，丝锥更实在、更经济。整体合金式螺纹铣刀、钻铣螺纹刀价格较贵，且由于单边铣削，不能用于长径比过长的螺纹加工，但根据其柔性强、加工质量高的特点，可以穿插应用。

3.3 铰刀

随着人们对汽车排放性能要求的日益严格，发动机缸体、缸盖等部件的结构越来越复杂，孔加工的精度等级也不断提高。尽管近年来，以钻代铰的新技术、新刀具已经出现（“G”钻），但只能承担H8级以下精度的孔（长径比不宜过长）加工，而更高精度等级H7级以上精度的孔，只有铰刀才能实现加工。铰孔加工对发动机整体精度影响很大，且消耗成本占制造成本的比例较高，对铰孔系列刀具的配置尤为重要。现代刀具的分科越来越细，铰刀也呈多样化发展，多刃铰、单刃铰、整体式、焊接式、膨胀式、刀片式等不同刀具形式供应用人员选择。对缸体而言，铰孔要求不高的孔，只存在形状精度要求，可选择多刃焊接式铰刀或整体硬质合金铰刀，效率和经济性都可满足。对于形状和位置精度要求都比较严格的孔，采用单刃镶刀片式较为理想。

2-Φ20H7的定位销孔，是后工序加工的定位基准，有很高形位精度要求。由于多刃铰刀加工尺寸不稳定，采用单刃镶刀片铰刀，如图3所示，不仅获得良好的直线度、圆柱度，且铰刀片呈双切削锥，第一切削锥 30°切除大余量的同时，校正位置度，第二切削锥3°修光孔表面[3]，见图4。在大批量生产中，刀片的损耗成本和多刃铰刀相当，甚至更低，单刃铰刀的比重越来越大。

图3 Φ20H7定位销孔铰刀

图4 铰刀片刃形

3.4 镗刀

主轴承孔、缸孔作为缸体最重要、加工难度最大的部位，镗刀几乎是唯一选择。在大批量的生产模式中，镗刀尽量做成专用刀具和整体式结构刀具，以增加刀具刚性，获得更大的切削稳定性。4D42ZL缸体主轴承孔和缸孔是影响发动机性能的重要尺寸，镗主轴承孔采用自支承镗刀，采用PCBN材质刀片；通过0.1 mm×（-20º）负倒棱强化，PCBN刀片实际加工中起着切削和磨削作用，以达到较高的表面粗糙度和提高刀具耐用度的目的，取消主轴承孔珩磨工序，可节约加工成本。粗镗缸孔采用高转速,大进给方式加工。选用硬质合金涂层刀片，刀片由于具有六个特殊弧度的正角切刃，切削力小、经济性好，如图5所示。

图5 缸孔粗镗刀

精镗缸孔的精度较高，选用3齿镗刀，带支撑导条的镗刀结构，如图6所示，采用6刃PCBN刀片实施高速加工。由于PCBN刀片在一定的范围内，提高切削速度反而增加刀具耐用度。经实验，选择切削速度v：580 m/min，每齿进给量fz：0.11 mm/z进行高速切削，加工质量优越，圆柱度达0.01 mm，圆度达0.008 mm，粗糙度Ra0.8，刀片耐用度为150个工件，加工质量和刀架耐用度及寿命均较为理想。

图6 缸孔精镗刀

3.5 面铣刀

面铣加工是缸体加工的重要部分。缸体的大平面一般是加工中的定位基面或是发动机的工作平面，同时，面铣消耗成本又是刀具消耗成本最高的一类刀具。粗加工阶段，大余量切削，不适合采用高速铣削，采用密齿刀盘，加大进给，提升效率。为了避免由于刀片齿数增多，导致切削力增加，消耗的功率加大，系统刚度不足的缺陷，刀片均选择正前角，使切削轻快。同时，对粗加工而言，刀盘和刀片的精度不必追求过高，主要从刀片的耐用度，经济性考虑，国产刀具即可。面铣精加工均在加工中心完成，在刀具配置上必须从高速铣削的角度出发，一方面减少加工中心的投资，另一方面高速铣削的加工质量明显优于普通铣削。工艺方案对铣削速度的要求在800 m/min以上，刀片材料的选择只能定格于Si3N4基陶瓷和立方氮化硼(CBN)[4-5]。

4 切削加工切削用量选择

选择合理的切削深度ap、进给量f和切削速度v，对于保证加工质量、降低加工成本和提高劳动生产率都具有重要意义。在机床刀具、刀具和工件等条件一定的情况下，切削用量的选择最富有灵活性和能动性。

切削用量设置根据工艺节拍要求、功率消耗和扭矩负荷的校核和合理的刀具耐用度最终确定。

1)根据工艺节拍要求计算切削用量

通过切削参数的基本计算公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)，得出4D42ZL缸体部分加工刀具的切削用量，见表1。

表1 缸体部分加工的切削参数

式中的 Vc为切削速度；d为刀具直径；n为主轴转速；Z为齿数；fz为每齿进给量； fr为每转进给量； Vf为进给率；t为切削时间；L为加工行程。

2)功率消耗和扭矩负荷的校核

T225面铣刀高速精铣缸体顶面，是功率消耗最高的刀具。

根据铣削加工功率公式(6)计算T225实际所需功率：

式中的ap为切削深度；ae为切削宽度；n为主轴转速；Z为齿数；fz为每齿进给量；Kfs为工件材料比切削力；η为机床功率传递效率代入选择参数值，计算：

T225实际所需消耗功率为 14.4 kW，符合nbh170数控加工中心主轴功率37 kW负载要求。

T222粗镗刀镗削缸孔，是扭矩负荷最高的刀具。

根据镗削加工功率计算公式(7)计算T222的消耗功率：

代入选择参数值，计算：

切削力根据公式(8)计算得出：

切削扭矩为：

数控加工中心主轴额定扭矩为 800（N·m ），满足T222粗镗刀扭矩负荷318（N·m）的负荷要求。同理，计算其它刀具的功率和扭矩，均符合机床负载的要求。

5 合理刀具耐用度

切削用量必须联系刀具耐用度。较高的切削速度，会降低刀具耐用度，但可以获得较高加工效率和表面质量，较少的切削用量获得较长的刀具耐用度，但相应增长了工件的加工工时，生产效率就比较低。采用过高的切削用量，则刀具耐用度过低，工件的加工工时可以缩短，但换刀与磨刀的工时和费用显著增加，同样达不到高效率、低成本的要求。

以主油道孔加工刀具 T216为例：采用不同切削用量加工，效率、耐用度、单件成本有很大区别，见表2。

表2 T216刀具的不同切削用量的分析对比

当切削速度 Vc=70 m/min，单件刀具成本较低，生产效率慢，增加制造成本中的其他费用； Vc=110 m/min时，刀具磨损过快，加工工件数量有限，刀具成本过高； Vc=90 m/min，综合效益好。

从表1、表2 看出，切削用量基本选择在高速切削的中间范围内，一方面保持高效率，满足工艺节拍要求；另一方面尽量不把切削用量定在刀具的极限切削用量上，以防刀具过快磨损，增加换刀频率。

6 结语

刀具是高质量、高效率生产的可靠保证，刀具配置的合理性是柔性生产能否成功实施的关键。在现代化的大规模生产中，高速切削已成为主流加工手段，高速刀具的使用量越来越多。尽管从表层上看，刀具的消耗成本要占到整个加工消耗成本的60%以上，但在刀具选择上，应从加工单件消耗成本、换刀频次和刀具单价三个维度综合考虑。根据设备运转率和单件消耗来正确评估刀具配置的合理性，也是刀具选型的原则，决不能纯粹因为价格因素拒绝使用高效刀具。统计资料显示，降低30%的刀具采购价格，大约可以降低1%的制造费用；延长50%的刀具寿命，同样可以降低 10%的制造费用，而提高20%的加工效率，则可以降低约15%的制造费用[6]。通过4D42ZL缸体柔性生产线刀具配置选型和优化，为柔性线高速切削配置了合理刀具，保证缸体加工质量和效率。