PCD刀具切削SAE327硅鋁合金工藝研究

/PCD刀具切削SAE327硅鋁合金工藝討論1SAE327材料的特點(diǎn)和切削難點(diǎn)SAE327為鑄造硅鋁合金，是制造制冷壓縮機(jī)連桿的重要材料。重要元素含量Si7%～8.6%，Cu1%～2%，Mg0.25%～0.6%，Mn0.2%～0.6%?？估瓘?qiáng)度＞230MPa，硬度110～130HB，延長(zhǎng)率＞1%。其晶格由高塑性的Al和高脆性的初晶Si構(gòu)成。切削加工時(shí)，Al的塑性大，熔點(diǎn)低，易在工件表面與刀尖接觸處產(chǎn)生積屑瘤，隨后與碎裂的初晶Si一起使工件表皮剝落，形成刀痕，使工件表面粗糙度變差。同時(shí)由于高硬度的Si含量較高，刀具也簡(jiǎn)單磨損。目前對(duì)壓縮機(jī)效率值COP的要求不斷提高，為削減往復(fù)式活塞壓縮機(jī)內(nèi)摩擦并降低輸入功率值，連桿孔與曲軸間需要保證微小的摩擦系數(shù)和很高的表面接觸率，要求圓度2m，表面粗糙度Ra0.4m，尺寸精度2m，使用傳統(tǒng)切削方法很難達(dá)到如此高的要求，因而在壓縮機(jī)零件中一直是較犯難加工的鋁合金材料。2PCD的基本特點(diǎn)及高速干切削技術(shù)隨著聚晶金剛石（PCD）刀具技術(shù)和高速切削技術(shù)的進(jìn)展，針對(duì)SAE327的切削性能，我們使用PCD刀具對(duì)連桿孔進(jìn)行高速干式鏜削，較好地解決了問題。PCD材質(zhì)穩(wěn)定，使用性能可以推測(cè)，故比天然金剛石更合適于作為切削刀具。PCD具有目前最高的硬度和耐磨性，具有特別鋒利的刀刃，有很好的導(dǎo)熱性，線膨脹系數(shù)很小，摩擦系數(shù)也小。但其重要缺點(diǎn)是強(qiáng)度低，脆性大，抗沖擊本領(lǐng)差。因此一般不用于斷續(xù)切削和重負(fù)荷切削。采納PCD刀具加工鋁合金時(shí)，由于金剛石硬度高，表面與金屬親和力小，且刀具一般拋光成鏡面，不易產(chǎn)生積屑瘤，加工尺寸穩(wěn)定性以及表面質(zhì)量都很好。在Ra0.02～0.32m的條件下，可獲得5～7級(jí)精度。鋁合金傳熱系數(shù)高，線膨脹系數(shù)大，在加工過程中會(huì)大量汲取切削熱，使工件發(fā)生熱變形，而且鋁合金硬度和熔點(diǎn)都較低，因此加工過程中切屑簡(jiǎn)單與刀具發(fā)生“膠焊”或粘連，形成積屑瘤，這都是傳統(tǒng)鋁合金干切削中碰到的最大難題。解決的最好方法是采納高速干切削。高速切削中，95%的熱量都傳給了切屑，切屑在與前刀面接觸的界面上會(huì)被局部熔化，形成一層極薄的液態(tài)膜，因而切屑很簡(jiǎn)單在瞬間被切離工件，大大削減切削力和產(chǎn)生積屑瘤，而且工件基本可以保持常溫。既可以提高生產(chǎn)率，又改善了表面質(zhì)量。3PCD鏜刀加工SAE327的切削性能我們使用PCD刀具對(duì)SAE327進(jìn)行高速干鏜孔，經(jīng)過反復(fù)切削試驗(yàn)，對(duì)其工藝進(jìn)行摸索和總結(jié)。加工連桿孔的情況基本如下：同一只鏜刀中，硬質(zhì)合金刀頭用于粗加工，PCD刀片用于精加工，單邊余量為0.05mm。連桿組件大孔中心兩邊有0.5mm的縫隙，孔表面中心有直徑5mm油孔。由于加工表面非連續(xù)，應(yīng)屬于斷續(xù)切削。采納無(wú)切削液的干切，有壓縮空氣噴射清除切屑。3.1切削速度的影響切削試驗(yàn)表明，PCD切削速度與SAE327孔表面粗糙度關(guān)系很大。在實(shí)際生產(chǎn)中，為保證較低的表面粗糙度，可以采納較高的切削速度。但切削速度達(dá)到肯定程度之后，由于高速條件下系統(tǒng)剛性和平衡性問題，表面粗糙度不但無(wú)法再連續(xù)下降，反而略有上升，而且機(jī)床功率要加添很多。所以一般情況下經(jīng)濟(jì)切削速度維持在140～180m/min之間即可，努力探求過高的切削速度是沒有必要的。3.2進(jìn)給速度的影響試驗(yàn)表明，PCD進(jìn)給速度與SAE327孔表面粗糙度之間有肯定的關(guān)系。為綜合保證較低的表面粗糙度和較高的生產(chǎn)率，選擇合適的進(jìn)給速度是緊要的，應(yīng)避開粗糙度為最高點(diǎn)時(shí)的進(jìn)給速度。合適的進(jìn)給速度也與PCD的刀具角度和刀尖型式有關(guān)。3.3刀具幾何型式的影響針對(duì)PCD的脆性缺點(diǎn)，而且我們加工剖分式連桿，孔中心有肯定的縫隙，因此刀刃的幾何參數(shù)應(yīng)當(dāng)盡量考慮減小崩刃的可能。一般刀尖頂刃形式分為小圓弧、大圓弧、直線形、多邊形折線。切削實(shí)際表明：頂刃小圓弧的擠光作用對(duì)表面粗糙度的下降是有益的。雖然此時(shí)PCD刀尖不鋒利，但切削效果卻比鋒利時(shí)還要好些。此時(shí)粗糙度由原來(lái)的Ra0.3～0.33m降低到Ra0.15～0.18m，這對(duì)提高連桿與曲軸之間的表面接觸率，削減摩擦是有利的。精切SAE327時(shí)，可選擇PCD鏜刀的前角0＝0～5，后角0＝10～15，主偏角r＝50～70，刃傾角s＝0。安裝時(shí)鏜刀頭安裝孔對(duì)鏜刀桿中心可以有偏心，以保證明際切削的前角更大一些。3.4刀具與機(jī)床系統(tǒng)PCD高速切削系統(tǒng)是一個(gè)多而雜的綜合系統(tǒng)，除了PCD刀具自身外，仍需要注意切削系統(tǒng)的其它。機(jī)床主軸與刀具的接口是特別關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它直接影響加工精度的穩(wěn)定性。我們將連桿鏜床鏜刀柄與機(jī)床主軸的接口采納HSK32C。其重要優(yōu)點(diǎn)是：采納錐面與端面過定位的結(jié)合形式，能有效地提高結(jié)合剛度；具有良好的高速性能；1:10錐度與7:24錐度相比較短，楔形效果好，故有較強(qiáng)的抗扭本領(lǐng)，且能抑制因振動(dòng)產(chǎn)生的微量位移，這一點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)剛性特別緊要。生產(chǎn)事實(shí)證明，使用HSK刀柄具有較高的重復(fù)安裝精度，對(duì)于提高離機(jī)對(duì)刀與上機(jī)后的一致性和加添刀具與主軸的搭配剛性，起到了關(guān)鍵的作用。同時(shí)為提高刀具系統(tǒng)的剛性，在充足容屑和排屑的情況下，盡量使刀桿直徑與被加工孔直徑接近。我們對(duì)連桿精鏜床的主軸進(jìn)行了改進(jìn)，配置了剛度高、承載本領(lǐng)強(qiáng)、阻尼特性好的徑向和軸向液體靜壓軸承。切削試驗(yàn)表明：配置靜壓軸承效果很好，提高靜壓壓力對(duì)加工出較高的表面質(zhì)量是有利的。最后確定使用高壓齒輪泵供油，壓力高達(dá)4.5MPa，主軸近端徑向跳動(dòng)＜0.5m，加工出連桿孔圓度＜1.5m。加工孔表面高圓度的重要原因是靜壓軸承高剛度油膜對(duì)軸徑圓度誤差的均化作用。滾動(dòng)軸承的旋轉(zhuǎn)精度很難超過其滾道自身的圓度，且受滾動(dòng)軸承制造和裝配精度的限制，目前即使采納配置有精密主軸滾動(dòng)軸承的鏜床，大批量穩(wěn)定地加工出小于3～4m的表面圓度仍是比較困難的。4工藝系統(tǒng)中需要注意的其它問題（1）防止高速切削振動(dòng)：對(duì)高速回轉(zhuǎn)的鏜刀進(jìn)行動(dòng)平衡。削減高速旋轉(zhuǎn)時(shí)由于刀具不平衡量造成的離心力振動(dòng)，對(duì)提高工件表面質(zhì)量是必要的。實(shí)際切削加工表明：經(jīng)過動(dòng)平衡的PCD鏜刀系統(tǒng)與未經(jīng)平衡的刀具系統(tǒng)相比，表面粗糙度下降Ra0.1～0.15m，并可有效減小表面波紋度。（2）在實(shí)際加工中，連桿孔表面有時(shí)會(huì)顯現(xiàn)波紋。表面波紋度是介于形狀誤差和表面粗糙度之間的一種中心狀態(tài)誤差，目前還無(wú)標(biāo)準(zhǔn)明確加以判定。產(chǎn)生的重要原因是加工系統(tǒng)的微振動(dòng)。在高速切削中，由于系統(tǒng)剛性不足造成的往往是表面波紋。除刀具本身的結(jié)構(gòu)剛度和平衡性影響之外，其中結(jié)合面之間的接觸剛度是重要影響因素。除了主軸HSK接口外，試驗(yàn)表明：使用組合可調(diào)整式鏜刀比較簡(jiǎn)單顯現(xiàn)波紋，而使用整體式鏜刀顯現(xiàn)此類情況較少。如要避開表面波紋，應(yīng)盡量避開采納模塊組合式鏜刀。一般組合鏜刀雖然微調(diào)較便利，但由于制造精度的限制以及不能預(yù)緊，在高速加工時(shí)會(huì)發(fā)生由于結(jié)合面之間接觸剛度不足造成的顫振，影響表面質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響尺寸精度，對(duì)大批量生產(chǎn)特別不利。整體式刀