一汽解放無錫柴油機(jī)廠/史勝祥 丁勝明

發(fā)動(dòng)機(jī)深孔加工技術(shù)

一汽解放無錫柴油機(jī)廠/史勝祥 丁勝明

深孔加工向來是金屬切削加工難點(diǎn)，傳統(tǒng)工藝會(huì)造成槍鉆崩刃、折斷問題。通過改進(jìn)槍鉆結(jié)構(gòu)形式——可轉(zhuǎn)位刀片+帶導(dǎo)條式高強(qiáng)度刀桿，采用帶斷屑槽刀片，使得排屑更順暢，徹底解決折斷及崩刃類異常，提升加工質(zhì)量。

近年，我國東部某廠自主研發(fā)了一款油耗低、動(dòng)力強(qiáng)、可靠性高的重型柴油機(jī)，深得用戶青睞，其氣缸體上有諸多用于冷卻水道或潤滑油道深孔需要加工，其中底面φ26mm×275mm就是其中之一。為提升設(shè)備利用率，減少投資成本，在設(shè)計(jì)方案時(shí)放棄了傳統(tǒng)的專用機(jī)床方案，而采用德國進(jìn)口GROB高速加工中心加工，但經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)修磨槍鉆壽命低、斷刀率高問題。

加工方案分析

1.加工條件

加工設(shè)備：德國GROB G700加工中心。

槍鉆：單刃焊接槍鉆φ26mm×546mm 。

刀柄：GUHRING HSK100-A 側(cè)固鎖緊。

切削液：FUCHS水溶性乳化液ECOCOOL 68CF2W，乳化液濃度：8%～10%。

內(nèi)冷流量壓力：75L/min，4MPa。

切削參數(shù)：見表1。

工藝要求如圖1所示。

表1 切削參數(shù)情況

圖1 底面深油孔加工工藝要求

2.實(shí)際使用中存在問題

該生產(chǎn)線投入使用后，為保證此類深孔加工質(zhì)量穩(wěn)定性，槍鉆刀具為德國生產(chǎn)。但在實(shí)際使用中經(jīng)常出現(xiàn)崩刃和斷刀（見圖2）等問題，造成刀具損耗和零件報(bào)廢。

圖2 槍鉆斷刀

通過統(tǒng)計(jì)該工序近半年時(shí)間內(nèi)刀具使用情況：累計(jì)使用該槍鉆230次，其中斷刀15次，斷刀率達(dá)到6.4%，刀具異常損耗達(dá)數(shù)萬元。此外，為了減少發(fā)動(dòng)機(jī)自重，缸體采用精密薄壁鑄造工藝，實(shí)測(cè)該深油孔加工完后其厚度不足5mm，故在斷刀發(fā)生后，由于鐵屑和硬質(zhì)合金刀頭擠壓，很容易造成孔壁破壞（見圖3），從而造成整個(gè)氣缸體報(bào)廢，近半年造成工廢6件。

3.原因分析

通過組織技術(shù)人員分析排查刀具壽命情況和異常斷刀狀態(tài)，同時(shí)通過機(jī)床自帶的主軸監(jiān)控系統(tǒng)，分析其加工過程情況，進(jìn)一步分析排查該深油孔加工斷刀原因，主要為：

（1）槍鉆刃口磨損嚴(yán)重。通過對(duì)換下的槍鉆進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)槍鉆主切削刃、側(cè)刃和后刀面磨損情況比較嚴(yán)重，軸向磨損量超過2mm，增大了槍鉆鉆削過程中的切削阻力，增加斷刀風(fēng)險(xiǎn)。

槍鉆刀頭磨損嚴(yán)重，與槍鉆沒有涂層有很大關(guān)系，缺少涂層對(duì)刀頭硬質(zhì)合金基體隔熱和潤滑保護(hù)，其磨損會(huì)急劇加快。而槍鉆由于刀頭和槍身需要焊接，加之兩種材料高溫變形量不同，決定了其無法在精磨后實(shí)施涂層工藝。

（2）排屑不暢。在對(duì)機(jī)床設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析排查時(shí)發(fā)現(xiàn)，按照刀具布置圖要求機(jī)床內(nèi)冷流量/壓力：75L/min 4MPa，但近半年出現(xiàn)多達(dá)20次以上的內(nèi)冷高壓報(bào)警，伴隨該報(bào)警信息之后就會(huì)出現(xiàn)主軸負(fù)載報(bào)警以及斷刀的發(fā)生。

之后，進(jìn)一步對(duì)機(jī)床主軸負(fù)載曲線分析，并比較正常加工和斷刀件的負(fù)載監(jiān)控曲線后，發(fā)現(xiàn)正常加工是主軸負(fù)載從新刀35%～55%之間，整個(gè)加工過程是一個(gè)線性均勻變化曲線，前后兩個(gè)工件間的波動(dòng)幅度小于5%；而斷刀件負(fù)載監(jiān)控圖形，則會(huì)在內(nèi)冷堵塞的時(shí)候不斷升高，一般達(dá)到70%時(shí)，槍鉆刀頭焊接部位會(huì)扭斷，該過程中其負(fù)載其上下波動(dòng)范圍在45%～ 70%，幅度達(dá)到25%；從斷刀工件孔內(nèi)大量鐵屑也證實(shí)，排屑不暢，存在鐵屑堵塞現(xiàn)象是該槍鉆斷刀的主要原因之一。

圖4 主軸負(fù)載監(jiān)控圖形

4.優(yōu)化改進(jìn)方案

針對(duì)上述排查到刃口沒有涂層保護(hù)、加工過程中存在堵屑問題這兩個(gè)主要原因，確定后續(xù)改進(jìn)優(yōu)化方向和措施：

（1）提升排屑性能。通過增大內(nèi)冷壓力或流量方式，提升排屑性能。

（2）增加刀具耐磨性。在刀具材質(zhì)不能改善的情況下，實(shí)施涂層工藝。

（3）加強(qiáng)刀桿強(qiáng)度。采用強(qiáng)度等級(jí)更高的刀桿，提高槍鉆剛性，防止加工時(shí)刀桿斷裂。

（4）改善斷屑效果。優(yōu)化切削刃口形式，改變鐵屑形狀，使其更利于排屑。

其中提升排屑性能方案，若提升內(nèi)冷壓力至6MPa，需要更換螺桿泵解決，成本較高，故考慮通過改善刀具結(jié)構(gòu)來提升排屑效果。

在和德國技術(shù)專家討論后，結(jié)合其實(shí)際應(yīng)用案例，決定采用可轉(zhuǎn)位刀片+帶導(dǎo)條機(jī)夾式刀桿的刀具方案來進(jìn)行刀具優(yōu)化，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖 51、4、7.螺釘 2、5、8.轉(zhuǎn)位刀片 3.導(dǎo)條6.刀桿

4.刀具試驗(yàn)過程

在試驗(yàn)刀具完成到位后，立即組織刀具試驗(yàn)，在第一次按照原參數(shù)和壽命試驗(yàn)，正常達(dá)到原強(qiáng)制換刀壽命后，為進(jìn)一步挖掘刀具潛力，嘗試開展極限壽命試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果來看，刀具壽命有一定程度提升。

具體試驗(yàn)情況見表2。

新轉(zhuǎn)位刀具特點(diǎn)如下：

（1）刀桿采用高強(qiáng)度合金鋼代替普通鋼管精制而成，強(qiáng)度提升50%，刀桿成為可反復(fù)使用的耐用品。

（2）采用2段30mm磨制高精度硬質(zhì)合金導(dǎo)條，保持加工過程中刀具支撐和平衡，利用導(dǎo)條自導(dǎo)向后續(xù)加工，保證深孔具有較好的孔徑和直線度。

（3）采用3片帶有復(fù)合TiAlN涂層、斷屑槽可轉(zhuǎn)位刀片組成主切削刃，耐磨性更好，錯(cuò)齒式布置，將26mm內(nèi)鐵屑分為6段，相比原槍鉆4段，鐵屑更短，加之刀片前有壓制斷屑槽，更有利于排屑。

具體刀具及切削部位如圖6所示。

5.持續(xù)改進(jìn)

在試驗(yàn)取得初步成功后，繼續(xù)對(duì)刀片存在微崩的異常情況進(jìn)行分析，排查發(fā)現(xiàn)，該深孔在中間部位有一個(gè)φ10mm相貫孔和底部貫穿孔，加工至該部位時(shí)存在破孔和單邊切削沖擊，通過對(duì)NC程序優(yōu)化，采取分段式進(jìn)給。通過對(duì)使用后刀片觀察發(fā)現(xiàn)，刀片失效形式正常。

表2 新刀具試驗(yàn)情況

圖6 優(yōu)化后轉(zhuǎn)位刀具及切削部位

結(jié)語

新可轉(zhuǎn)位刀片式槍鉆，經(jīng)過半年時(shí)間合計(jì)201次的換刀驗(yàn)證，平均壽命達(dá)到118孔，未出現(xiàn)過斷刀，杜絕了因斷刀問題造成的工件報(bào)廢。同時(shí)可轉(zhuǎn)位刀片裝調(diào)方便快捷，省去修磨環(huán)節(jié)；加工節(jié)拍也由之前的69.5s降至59.5s，單臺(tái)刀具消耗成本節(jié)省約1.05元，提效降本明顯。詳見表3。

后續(xù)將進(jìn)一步推廣應(yīng)用可轉(zhuǎn)位刀片式槍鉆成果?！?/p>

表3 改進(jìn)前后效果對(duì)比