精密深孔复合刀具设计及加工技术

由图 3 可以看出: 三种刀具的磨损曲线都比较
( b)
( c) 图 3 不同切削参数下的 刀片磨损对比曲线
根据试验结果, 对所选用陶瓷刀具的切削数据
进行回归分析, 其刀具耐用度与切削参数关系的经
验公式为:
T = e11 7227 ap - 0 4460 vc- 2 1843f - 0 4298 R2= 0 9369
表 1 所选刀具切削角度
刀具角度
刀具材料
前角 后角 刃倾角 主偏角 副偏角
0
0
sHale Waihona Puke Baidu
r
r
陶瓷刀具
-6
6
- 6 90
10
硬质合金/ 涂层刀具 10
11 - 3 90
8
根据正交试验原理, 以切削深度、切削速度以及 进给 速度 为 三因 素, 每个 因素 取 三个 水平 ( ap = 0 08、0 12、0 16mm, f = 0 06、0 09、0 12mm/ r, v = 160、140、120m/ min) 进行试验。取 VB = 0 2mm 为刀 具后刀面磨钝标准。在不同切削条件下所选刀具的 磨损曲线如图 3 所示。
山西柴油机厂所生产的某型号发动机缸盖气门 导管孔和气门座锥孔装配示意图如图 1 所示, 其加 工要求为: 气门导管孔的尺寸加工误差 0 008mm, 气门座锥面相对气门导管孔的同轴度 0 02mm, 加 工表面粗糙度 R a0 8 m; 工件材料为某型号粉末冶 金, 加工性 能差, 刀具 磨损严 重, 加工质 量难以 保 证[ 3] 。该厂在传统加工中将气门导管孔和气门座圈 锥孔分别加工, 加工效率低并且难以保证加工精度;
图 1 气门导管孔和气 门座圈的装配图
2 自导向复合深孔加工刀具设计
2 1 刀具整体设计 该刀具由整体式刀体、座圈锥孔锪刀片及其夹
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工 具技 术
紧与调整机构、气门导杆孔镗刀片及其夹紧与调整
机构以及 导向机构组成, 刀具结构 图如图 2 所示。 在气门导杆孔镗刀的直径较小( 小于 12mm) 、刀具的 长径比较 大 ( 大 于 8) 、要 求工 作转速 较高 ( 3000r/ min) 等条件下要到达所要求的加工精度, 所设计的 刀具必须要有很高的刚度和强度, 故在本设计中刀 体采用了整体式设计, 同时刀体材料采用刚性高、强 度高的材料, 刀柄采用 HSK 刀柄, 该型号刀 柄采用 锥面和端面双重定位夹紧方式, 具有较高的重复定 位精度和连接刚度[ 4] 。为了保证加工精度, 在刀具 设计时采用了顺序加工的原理, 避免了二阶刀具同 时加工时产生的大切削力、大扭矩对加工精度的影
由图 11 可以看出, 进给量对导管孔圆度的影响 变化不大, 随着进给量的增大, 圆度误差略有增加, 这是因为进给量增加, 刀具系统承受的切削力增大, 振动也随之增大, 导致加工工件的圆度误差增大。
实现高效加工, 可以适当提高切削速度、进给速度, 采用较大切削深度。
根据试验结果, 所选用陶瓷刀具在加工粉末冶
金时具有较好的切削性能和加工质量, 故初步选用 该型号刀具材料作为复合加工刀具。
2 3 刀片设计
为了提高自导向刀具工作的稳定性, 减小切削
振动, 同时为了保证刀具的可靠性, 在设计刀片角度 时, 选择了较大的主偏角, 同时为了提高刀片刃口的
强度和孔加工表面质量, 主切削刃制成双重角度, 即
在主、副切削刃之间增加一段过渡刃; 刀具材料为根 据试验所选用的陶瓷刀具, 刀 具前角为 0 , 主 切削
刃、过渡刃及副切削刃均磨制出双重后角, 一方面减
小可能与孔壁产生的摩擦和干涉, 另一方面加强刃
口的强度以提高刀具的耐用度; 为减小切屑与前刀 面及刀片后刀面与孔加工表面之间的摩擦, 刀片的
T = e4 7837 ap- 0 5241 vc- 0 9482f - 0 8183 R2= 0 8847
( 2)
由经验公式可以看出, 对所选用刀具的加工表 面粗糙度, 切削速度和进给速度两者的影响都较明
显, 且影响程度接近, 切深的影响较小一些。在实际
生产中为了在保证加工质量的前提下提高生产率以
( 1)
由经验公式可以看出, 切削速度对所选陶瓷刀
具的耐用度影响最大, 切深和进给速度对其影响不 大且影响程度接近。相关系数 R2 表示了切削力模
型与试验因素的相关程度, R2 越接近 1, 说明残差
越小, 相关程度越高, 可以看出计算出的经验公式的
相关系数 R2 比较大, 说明公式的可靠性 较高。因
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工 具技 术
3 1 切削参数对气门导管孔加工质量的影响 根据生产现场的加工试验, 刀具转速对加工质 量的影响如图 8、图 9 所示, 进给量对加工质量的影 响如图 10、图 11 所示。
值变化不大, 说明在转速不高时, 进给量对粗糙度的 影响程度比较小; 当转速升高 时, 随着 进给量的增 大, 表面粗糙度值变化的幅度明显增大, 由于在基础 实验中已经证明进给量与刀具转速对表面粗糙度不 存在明显的交互作用, 因此生产试验结果说明了在 本工序中刀具的振动对表面粗糙度起到了很重要的 影响作用。
关键词: 气门座圈, 气门导管孔, 复合加工刀具, 切削参数
Research on Design and Machining Technology of Precision Deep hole Compound Cutting Tool
Jiang Fang Xin Min Wang Xibin et al
前后刀面都要求较低的粗糙度, 特别是切削刃, 要进
行仔细研磨; 为了保证刀片的压紧和调整, 采用了 V 形凹槽设计。刀具结构见图 4、图 5。
楔形压紧( 见图 6、图 7) , 将刀片紧紧锁固在刀座上, 同时调整楔块在调整螺钉的作用下对刀片侧面产生 径向推力。以上两种作用结合在一起, 对刀片构成 稳固的楔型锁紧结构。
Abstract: The machining of valve guider and valve set is one of the key process in production of engine cylinder head. Arm ing at the precision finishing of valve guider and valve set, a special compound deep hole cutting tool was designed and made out. The structure and machining principle of the cutting tool were presented, the material of cutting tool was optimized, the insert struc ture of the cutting tool was designed. Based on the local experiments in factory, the rule that the cutting parameters using this type of compound cutting tool imposed on the machining precision was studied. After summarizing the results of the experiments, best cutting parameters were obtained. It had been testified that this cutting tool could enhance the production rate effectively, when the machining quality was guaranteed.
* 国防预研资助项目( 项目编号: 200141318. 13. 1) 收稿日期: 2007 年 1 月
目前改用某进口复合加工刀具, 仍然存在加工质量 不高、刀具磨损快的问题, 同时加工成本很高。为了 解决该气门导管孔和气门座圈的加工难题, 本课题 组设计制造了精密自导向复合深孔加工刀具, 该刀 具通过将镗削 导杆孔和锪车气门座圈 锥面一起完 成, 从而提高加工精度和加工效率。经生产验证, 所 设计刀具的加工精度和加工效率都较高, 满足生产 要求。
2 4 刀片的压紧、调整机构设计 压紧螺钉是具有左右旋螺纹的双头螺柱, 调整 压紧螺钉使压板压紧面和刀 片上的 V 型斜 面构成
3 生产现场工艺试验
试验 地 点: 山西 柴油 机厂; 加 工 机床: DMG2000 型数控加工中心; 加工刀具: 研制的自导向复 合深孔加工刀具; 刀具材料: 所选用陶瓷刀具。
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精密深孔复合刀具设计及加工技术*
蒋 放1 辛 民1 王西彬1 张雪东2
1 北京理工大学 2 山西柴油机厂
摘 要: 发动机气门导管孔和气门座圈的加工是 发动机 缸盖加 工的关键 工艺之 一, 针对气门 导管孔 与气门 座 圈的 精密加工, 设计制造了专用的复合深孔加工刀具, 介绍了该刀具的结构与加工 原理, 并 在试验的 基础上优选 了 加工刀片材料 , 设计了加工刀片的结构 参数。 通过生 产试 验研究 了使 用该刀 具时 切削 参数对 加工 质量的 影响 规 律, 得出了最优加工工艺参数, 试验证明该刀具在保证加工质量的基础上能够有效提高加工效率。
图 5 复合刀具锪刀结构示意图
1 压紧螺钉 2 压板 3 镗刀片 4 调整楔块 5 调整螺钉 图 6 气门导管孔刀片的夹固和调整 ( 本图为两个剖面图的叠加)
1 压紧螺钉 2 压板 3 锪刀片 4 调整楔块 5 调整螺钉 图 7 气门座圈刀片 的夹固和调整 ( 本图为两个剖面图的叠加)
图 4 复合刀具 镗刀结构示意图
2007 年第 41 卷 10
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此, 在实际生产中为了在保证刀具耐用度的前提下
提高生产率以实现高效切削加工, 可以适当提高切
削速度、采用较大切削深度和进给速度。
在相同条件下进行所选用陶瓷刀具在不同切削
参数条件下与加工表面粗糙度关系的试验, 根据试
验结果, 得出加工表面粗糙度与切削参数关系的经
验公式为:
(a)
图 2 刀 具结构图
2 2 加工刀片的材料选择试验 试验 用机床: Hawk 150 数 控精密 车床 ( Cincin nati) ; 试件材料: 某型号粉末冶金( 材料组织为灰色 金属夹杂物+ 多孔结构) ; 切削方式: 干车削。试验 用刀具: 陶瓷刀具、硬质合金刀具和涂层刀具( 编号 T01、T 02 和 T 03) , 刀具的工作角度见表 1。
响。受直径以及结构的限制, 气门导杆孔镗刀以及 座圈锥孔锪刀均采用了单刃切削及三导向块导向的 结构。
平稳, 上升 速度比较缓慢, 正常磨损阶 段都比较明 显。在切削深度与进给量相同的条件下, 虽然切削 速度比其他两种刀具高出很多, 但 T01 刀具( 陶瓷刀 具) 的磨损曲线仍然最为平滑, 上升速度最为缓慢, 正常磨损阶段最为明显, 即使在较高的切削速度下 ( v = 160m/ min) , 仍然保 持较 高的 刀具 耐用 度( 在 15min 以上) ; T02、T03 两种刀具的磨损曲线基本交 织一起, 在 速度增大的情况下, 刀具耐 用度下降较 快。由此可以得出: 在刀具耐用度为最优先考虑因 素条件下, T 01 陶瓷刀具更适合于铁基粉末冶金的 切削加工。
Keywords: valve set, valve guider, compound cutting tool, cutting parameter
1 引言
发动机缸盖的气门座圈和气门导杆孔与气门共 同完成对气缸的密封作用, 发动机气门座锥面相对 气门导管孔的斜跳动量直接影响气门与气门座的密 封质量进而影响发动机的整体性能[ 1] 。因此, 发动 机气门导管孔和气门座圈的加工作为发动机缸盖加 工的关键工艺之一, 对气门座圈锥面以及气门导管 孔的加工精度提出了越来越高的要求。由于气门导 管孔直径较小( 12mm) , 而气门导管孔和气门座在气 缸盖上的工作间距较大, 从而导致加工刀具的直径 较小、刀杆工作长度较长, 在加工过程中, 刀具易产 生弯曲变形和让刀, 难以保证加工质量[ 2] 。