蘭天旭 張 驍

(①北京汽車動(dòng)力總成有限公司，北京 101106；②北京汽車股份有限公司，北京 101399)

隨著汽車整體技術(shù)的發(fā)展，變速器也進(jìn)行著升級(jí)，從早期的手動(dòng)變速器到后期的自動(dòng)變速器、雙離合變速器及CVT變速器。閥體作為自動(dòng)變速器的核心零件，它的加工過(guò)程質(zhì)量控制也變得尤為重要。

某款CVT變速器，在前期的試制過(guò)程中，閥體加工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)表面出毛刺，貫穿孔出毛刺，閥芯裝配孔直線度、圓度、圓柱度不合格的現(xiàn)象。嚴(yán)重影響了產(chǎn)品性能，并且制約了項(xiàng)目的總體進(jìn)度。為了保證產(chǎn)品試制成功，對(duì)其他相似制造企業(yè)、刀具廠家進(jìn)行調(diào)研，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的切削過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)合刀具切削參數(shù)及刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)產(chǎn)品加工質(zhì)量的影響，利用切削仿真軟件進(jìn)行加工過(guò)程模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)刀具及工藝方案進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，加工出滿足圖紙要求產(chǎn)品。

1 PCD刀具特點(diǎn)

1.1 PCD刀具特點(diǎn)

PCD 是用金剛石加入一定成分的催化劑，在高溫、高壓下燒結(jié)而成的一種多晶金剛石聚合體，具有極高的硬度、抗壓強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性及耐磨性好等特性。使用PCD制作的刀具具有以下優(yōu)點(diǎn)：①刃口非常鋒利，熱膨脹系數(shù)小，切削力小，加工產(chǎn)品變形小，切削加工表面質(zhì)量好；②具有極高的硬度和耐磨性、極低的摩擦系數(shù)，刀具壽命長(zhǎng)；③加工參數(shù)高，加工效率高[1-2]。

由于材料本身的特性，PCD刀具在制作和使用中也存在很大的局限性。主要包括以下幾個(gè)方面：①韌性差，在切削過(guò)程中經(jīng)常會(huì)因沖擊或者切削力不均勻而崩刃，在使用過(guò)程中要保證加工系統(tǒng)的剛性，盡量減小刀具的懸長(zhǎng)。②盡管常溫下PCD硬度很高,但切削過(guò)程中隨著溫度上升硬度下降很快,所以切削時(shí)需要冷卻液來(lái)冷卻刀具,保證其紅硬性。③PCD刀具都為焊接刀具，焊片的長(zhǎng)度制約了切削余量的大小，所以只能完成尺寸變化較小的加工。④PCD硬度高，加工性能差，用其制作的刀具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，幾何參數(shù)不像硬質(zhì)合金、高速鋼等材料刀具那么復(fù)雜[2-4]。絕大部分PCD刀具的前刀面都是平面，尤其是鉆頭、鉸刀、焊接立銑刀，前角和刃傾角都以0°居多，影響加工的主要幾何參數(shù)只有刃帶、刀尖倒角、后角及倒錐等尺寸。

1.2 PCD刀具在鋁合金上的應(yīng)用

由于PCD與有色金屬的親和力小，加工過(guò)程中不易粘屑，PCD刀具已經(jīng)是鎂鋁等有色金屬及其合金加工的主選刀具[2,4]。PCD面銑刀加工鋁合金的線速度可以達(dá)到8 000 m/min，部分廠家生產(chǎn)的PCD面銑刀一次壽命可以加工20 000個(gè)缸蓋，PCD鉸刀加工鋁合金的線速度可以達(dá)到400 m/min,粗糙度可以達(dá)到Ra0.2 μm，而且刀片可以重新焊片或者修磨，這些性能都已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)刀具。采用先進(jìn)的PCD刀具,不僅能降低單件刀具成本,而且能提高加工質(zhì)量及生產(chǎn)效率，從而大大降低生產(chǎn)成本。

2 閥芯孔的加工問(wèn)題

2.1 閥芯孔的特點(diǎn)

某款自動(dòng)變速器閥體材料采用鑄造鋁合金，毛坯可能存在硬點(diǎn)及氣孔，這些都容易導(dǎo)致加工過(guò)程中刀具異常。其中閥芯孔有5個(gè)階梯，孔徑在φ12～16 mm，孔徑公差最嚴(yán)在6級(jí)精度以內(nèi)，圓度最嚴(yán)要求為0.004 mm，跳動(dòng)最嚴(yán)要求為0.01 mm，位置度要求為φ0.2 mm，圓柱度要求為0.005 mm,粗糙度要求為Ra0.4 μm。

閥芯孔加工具有：①孔徑小，深度長(zhǎng)，刀具長(zhǎng)徑比大，懸伸長(zhǎng)。②工件為多層斷續(xù)切削，斷屑困難，排屑不易。③鑄件槽間存在拔模斜度，刀具易“讓刀”，從而影響直線度和圓柱度。④加工需穿過(guò)多層鑄造表面，刀具壽命受鑄件質(zhì)量影響較大。⑤加工內(nèi)容多，加工長(zhǎng)度長(zhǎng)，刀具加工參數(shù)對(duì)節(jié)拍影響大等特點(diǎn)，幾乎涵蓋了所有孔加工刀具的難點(diǎn)[5]。

2.2 閥芯孔的加工問(wèn)題

加工閥體采用的機(jī)床為臥式加工中心，主軸型式為HSK-A63，工件夾具采用液壓夾緊方式，切削液采用乳化液(見(jiàn)圖1)。閥芯孔加工使用2把刀(刀具均有內(nèi)冷)完成加工：第1把刀為半精加工刀具，結(jié)構(gòu)為帶法蘭連接的焊接PCD鉸刀，刃數(shù)為3刃，主要加工內(nèi)容為1、2、3孔精加工及4、5孔半精加工，4、5孔精加工余量為0.3 mm，切削參數(shù)轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min,進(jìn)給Fz=0.15 mm/z；第2把刀為帶法蘭連接的PCD鉸刀，刃數(shù)為6刃，主要加工內(nèi)容為4、5孔的精加工，切削參數(shù)轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min, 進(jìn)給Fz=0.1 mm/z(見(jiàn)圖2)。

按照預(yù)定方案程序進(jìn)行加工，加工完成后對(duì)零件進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題：①4、5孔孔口有毛刺；②5孔孔壁有黑??；③孔位置度不好；④孔圓度圓柱度不好。對(duì)夾具、切削液、毛坯及機(jī)床主軸等因素進(jìn)行排查后，確定產(chǎn)生上述問(wèn)題的主要原因?yàn)楣に噮?shù)及刀具。后經(jīng)多次更改切削參數(shù)，孔壁有黑印及位置度不好的問(wèn)題得以解決，孔口毛刺、圓度及圓柱度雖有改善，但是加工效果仍不理想。除上述問(wèn)題，在優(yōu)化切削參數(shù)時(shí)，還發(fā)現(xiàn)部分零件孔壁存在振紋情況。

3 加工的優(yōu)化及實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)品及加工過(guò)程分析，導(dǎo)致產(chǎn)品加工不合格的原因有如下幾個(gè)方面：①閥芯孔直徑在12～16 mm，孔深將近120 mm,長(zhǎng)徑比過(guò)大，加工過(guò)程容易出現(xiàn)“跑偏”現(xiàn)象。②毛坯孔鑄造余量不均勻，容易造成刀具加工中振動(dòng)，產(chǎn)生振紋或者“跑偏”現(xiàn)象。③第1刀加工余量較大，容易出現(xiàn)振紋。④第1刀加工余量不均勻，容易出現(xiàn)毛刺及鋁環(huán)現(xiàn)象。⑤第2把刀具幾何參數(shù)不合理，容易出現(xiàn)毛坯及鋁環(huán)現(xiàn)象。⑥第2把刀具幾何參數(shù)、切削參數(shù)不合理，切削溫度和切削力過(guò)大，導(dǎo)致工件變形。根據(jù)以上分析，從加工工藝及刀具兩方面著手進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3.1 工藝順序的優(yōu)化

根據(jù)分析，將原來(lái)的2刀加工改為3刀加工，在第1把刀前面增加引導(dǎo)刀具，可以減少第2把刀具的加工余量，防止“跑偏”、振紋及粗加工出現(xiàn)鋁環(huán)、毛刺現(xiàn)象，同時(shí)增加了第2把刀的修正能力，能進(jìn)一步保證精加工刀具的加工效果，保證產(chǎn)品的圓度及圓柱度要求。具體如下：第1把刀為引導(dǎo)刀，結(jié)構(gòu)為整體焊接成型PCD刀具，刃數(shù)為3刃，主要加工內(nèi)容為閥芯孔粗加工，將毛坯鑄造孔的斜度去掉，并對(duì)1、2、3孔留精加工余量0.5 mm，切削參數(shù)轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min，進(jìn)給Fz=0.1 mm/z；第2把刀為半精加工刀具，使用之前方案第1把刀具；第3把刀為帶法蘭連接的PCD鉸刀，幾何參數(shù)待定，主要加工內(nèi)容為4、5孔的精加工，切削參數(shù)轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min, 進(jìn)給Fz=0.1 mm/z。

3.2 刀具的優(yōu)化

經(jīng)過(guò)上述分析，增加引導(dǎo)刀具后，仍需對(duì)精加工刀具進(jìn)行優(yōu)化。由于影響工件變形的主要因素是切削力及切削溫度，利用仿真軟件對(duì)刀具進(jìn)行模擬仿真，在考慮刀具制作難點(diǎn)及生產(chǎn)效率情況下，尋找切削力及溫度盡量小的刀具幾何參數(shù)。利用三維軟件UG進(jìn)行刀具建模，刀具幾何尺寸如下：均布等分六刃直槽鉸刀(前角為0°)，D=12 mm，刀尖倒角為0.2 mm，倒角角度為45°，后角為6°，刀具倒錐為0.008。將刀具模型導(dǎo)入切削仿真軟件AdvantEdge FEM中，進(jìn)行3D仿真。加工類型選擇鉆削(鉆削與較削加工方式相同，在后期工件設(shè)置時(shí)增加預(yù)孔設(shè)置，如圖3所示)，刀具材質(zhì)選擇Diamond,沒(méi)有涂層，工件材質(zhì)選擇AL380(US)，切削參數(shù)選擇轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min, 進(jìn)給Fz=0.6 mm/r，切削溫度選擇26 ℃，如圖4所示。加工方式為盲孔加工，設(shè)定加工深度6 mm，摩擦系數(shù)選擇默認(rèn)數(shù)值，冷卻選項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如圖5所示，其他仿真設(shè)置選擇如圖6所示，點(diǎn)擊執(zhí)行鍵進(jìn)行仿真，如圖7所示。同時(shí)，將鉸刀從6刃改為4刃、3刃，其他幾何尺寸不變，分別按照上述參數(shù)進(jìn)行仿真切削。得到切削力及溫度模擬情況如圖8所示。

由于仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際加工過(guò)程存在著工件材料、切削液、環(huán)境溫度、機(jī)床狀態(tài)及加工系統(tǒng)剛性方面的差異，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際值有一定差異，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅僅可以作為研究刀具切削參數(shù)、幾何參數(shù)對(duì)切削力、切削溫度影響的趨勢(shì)參考[6-7]。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出3刃鉸刀的切削力及切削溫度都低于6刃鉸刀及4刃鉸刀，所以選擇鉸刀設(shè)計(jì)刃數(shù)為3。

按照如上的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，鉸刀刃數(shù)選擇3刃，更改部分刀具幾何參數(shù)分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體更改明細(xì)如下：①僅更改刀尖倒角為0.2 mm和0.6 mm；②僅更改后角為8°和10°；③僅更改倒角角度為30°和60°；④僅更改刀具倒錐為0.01和0.012。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及選擇結(jié)果見(jiàn)表1。由于倒角可以改變切削力方向，選擇60°倒角可以增加軸向力，減小徑向力對(duì)工件的影響，根據(jù)受力方向計(jì)算，可以降低出口毛刺的風(fēng)險(xiǎn)[6-7]。為了進(jìn)一步保證產(chǎn)品加工的圓度，根據(jù)廠家以往經(jīng)驗(yàn)，將3刃鉸刀每個(gè)切削刃后增加2個(gè)支撐導(dǎo)條，如圖9所示。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合實(shí)際情況制作新刀，按照3.1中所述新方案進(jìn)行加工，經(jīng)過(guò)試切后對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)，產(chǎn)品的尺寸精度要求得到了保證，而且孔的圓度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于原方案刀具加工效果，如圖10所示。

4 結(jié)語(yǔ)

孔加工是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，影響產(chǎn)品加工質(zhì)量的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)加工不合格的現(xiàn)象。為了保證加工質(zhì)量，復(fù)雜的孔系加工方案在前期實(shí)施時(shí)需要對(duì)加工方式、切削參數(shù)、刀具幾何參數(shù)中進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，在這期間會(huì)造成大量的機(jī)物料和時(shí)間的浪費(fèi)。如何避免這種浪費(fèi)以及加快方案實(shí)現(xiàn)是很多企業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題，切削仿真軟件的應(yīng)用可以很好地解決這一難題。利用切削仿真軟件模擬加工過(guò)程，根據(jù)模擬結(jié)果(包括切屑溫度、切削力、扭矩及殘余應(yīng)力等)選擇合理的刀具幾何參數(shù)是刀具設(shè)計(jì)、加工方案設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要發(fā)展趨勢(shì)。隨著切軟件技術(shù)的越來(lái)越成熟，切削仿真軟件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況差異將會(huì)越來(lái)越小，刀具的研發(fā)速度將比過(guò)去提高數(shù)倍，復(fù)雜孔系加工方案的制作速度和準(zhǔn)確率都會(huì)有大幅提高，同時(shí)避免了制作試驗(yàn)刀具造成的資源浪費(fèi)，是綠色制造不可缺少的一環(huán)。