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整体硬质合金精密高效直槽扩挤刀

时间:2011-06-05 08:58:18 来源:未知
扩挤刀是汽车发动机高精度孔加工专用刀具。汽车发动机的进气管是发动机的重要部件,进气管喷油嘴孔的加工质量直接影响汽车的节油性能。过去加工喷油嘴孔大都使用国外进口的精密扩挤刀,价格昂贵,加工成本很高。为了降低加工成本,提高产品的市场竞争力,汽车刀具国产化已势在必行。下面介绍我公司开发的精密直槽扩挤刀的设计及制造要点。

1 被加工孔的特点

发动机喷油孔的加工工序如图1所示。工件材料为AlSi12(Cu);加工机床为德国DMG60H卧式加工中心;切削参数为v=3.5m/s,f=0.14mm/r,冷却方式采用乳化液外冷。
图1

图2

图3

图4
由图可知加工部位如下:扩f11±0.1mm和f14±0.1mm孔,锪f20mm沉孔及成型倒棱面,其中f14±0.1mm孔表面粗糙度要求达到Ra1.6µm。
在加工过程中,由于铝合金强度低,切屑变形大,将影响加工效果,而提高切削速度和加大进给量能减小切屑变形系数,因此采用高转速大进给量加工,能抵消一部分切屑变形。为了保证被加工孔的表面粗糙度值在Ra1.6µm以下,必须设计合理的刀具结构及参数,减小甚至消除积屑瘤,避免鳞刺的产生,防止出现振动,同时还应采取措施对已加工表面进行挤压,进一步降低粗糙度值。

2 刀具设计要求

  1. 消除积屑瘤
    积屑瘤是切屑底层金属与前刀面发生冷焊造成的,适当增大前角,提高前刀面光洁度是消除积屑瘤的主要措施。通常增大前角的主要方法是采用右螺旋面和负偏距平面,但螺旋面是砂轮和工件通过螺旋运动合成的,磨削过程平稳性差,难以获得高光洁度的前刀面,而负偏距平面将降低刀具强度,也不宜采用。此时可采用正偏距平面,它虽使前角有所减小,但将增大切屑的脆性,使之易于断裂,是消除积屑瘤的有效措施。
  2. 消除鳞刺
    从金属切削原理可知,当切削速度较高时,减小前角可抑制鳞刺的产生,因此,采用正偏距平面除可消除积屑瘤外,还可有效抑制鳞刺的产生。
  3. 防止振动
    振动通常分为三种:自由振动、强迫振动和自激振动(即颤振)。自由振动和强迫振动与刀具无关;颤振是由振动本身从单向作用的外力获取能量来维持自己的振动,也叫自持振动,此种振动的大小与刀具设计合理与否密切相关。刀具切削时的受力情况如图2、图3所示。
当切削过程中遇到被加工材料的硬质点时,刀具两主切削刃所受主切削力Fz1、Fz2不相等,其径向分力FY1、FY2也不相等,由此导致刀具产生径向振动,并在加工表面上出现振纹,从而增大弹性系统(刀具)的阻尼,抑制振动的产生。图3中刀齿A即可起这种作用。此外,还可对已加工面进行熨压,降低孔的表面粗糙度值。
图4是图3刀齿A挤压工件时的局部放大图。在图4中,F1=FcosA,当F一定时,A越小,挤压力越大,有利于降低加工表面粗糙度。本设计中,Q面是利用?=300mm的砂轮按图5参数磨出的,它能减小A值,获得较好的挤压效果。


图5

3 具体参数的确定#p#分页标题#e#

直槽扩挤刀主体结构的参数有6个,具体分布如图5所示。
  1. 偏距L
    L影响刀具的前角、刃倾角及切屑的流向,影响切入、切出的平稳性,L值越大,切削刃越长,切削过程也越平稳。但L值过大,将使刀具锋利度下降,对抑制积屑瘤及鳞刺的生长极为不利。通常取L=0.7mm。
  2. 芯厚K
    K值直接影响容屑空间大小及刀具强度,通常取K=2.9mm。
  3. 槽夹角q
    q主要影响容屑空间大小,通常取q=105°。
  4. 槽底圆角半径R
    R影响容屑槽的圆滑性,通常取R=1mm。
  5. 圆柱刃宽b
    刃宽影响刀具的挤压效果和加工平稳性,适宜的刃带宽度有支承、导向、稳定和消振作用。通常取b=0.8mm。
  6. 背径Dr
    Dr影响图4中A值,Dr越小,A也越小,Dr值通常比工件直径小0.4~0.6mm。

4 制造要点

制造精密高效直槽扩挤刀时,应注意两点:①尽量提高前刀面的光洁程度,使粗糙度值保持在Ra0.2µm以下;②确定合理的后角,并使后刀面粗糙度值保持在Ra0.4µm以下。
  1. 前刀面的加工
    为获得高质量的前刀面,应选用细粒度的金刚石砂轮,磨削线速度应达到50m/s以上,磨削方向如图6所示。由图可知,利用砂轮侧面磨削前刀面,且应沿槽深方向一次磨削到位,这样砂轮不易振动,可获得理想的粗糙度值。


    图6

    图7
  2. 后刀面的加工
    加工后刀面的情况如图7所示。由图可知,斜置工件进行铲磨,增大X角,即能增大C1值,获得较大轴向铲磨量,这样可获得较大轴向后角,而加工铝合金的刀具通常均需要较大后角。
    后刀面结构有两种:一种是将后刀面加工成平面后角,从图8可知,砂轮走刀方向应与折线L平行才能使后刀面无高点,因此需要三次走刀。此外,由于每次走刀方向不一致,必然产生明显的接刀痕迹,影响外观,且费工时。另一种是将后刀面加工成铲磨曲面,从图9可知,圆C是砂轮走刀方向,铲磨运动正是利用圆周运动和直线移动来合成的,很容易实现一次走刀完成后刀面的加工,加工效率高,尺寸精度易于控制,无接刀痕迹,外观漂亮。
比较后刀面的两种结构,以采用铲磨曲面较为合适,后角取9°~11°,最终加工的磨削进给量应取得很小,以便将后刀面粗糙度控制在Ra0.4µm以下。
图8

图9

5 试验效果

图10所示为最终完成的扩挤刀设计型式。经某发动机生产厂家试验(使用机床和切削参数与本文第1节所列相同),所加工的?14±0.1mm孔表面粗糙度值在Ra1.6µm以下,孔的表面质量稳定。国产扩挤刀可连续加工28000个孔,而进口刀具则只能加工21000个孔。
图10