PCD刀具切削SAE327硅鋁合金工藝研究?

　　1 SAE327的材料特點和切削難點
　　SAE327為鑄造硅鋁合金，是制冷壓縮機連桿的主要材料。主要元素含量Si7～8.6%。Cu1～2%，Mg0.25%～0.6%，Mn0.5%～0.8%。抗拉強度>230MPa，硬度110～130HB，延伸率>1%。其晶格由高塑性的Al和高脆性的初晶Si組成。切削加工時，Al的塑性大，熔點低，易在工件表面與刀尖接觸處產生積屑瘤，隨后與破碎的初晶Si一起使工件部分表皮剝落，形成刀痕，使工件表面粗糙度變差。同時由于高硬度的Si含量較高，刀具也容易磨損。目前對壓縮機效率值COP的要求不斷提高，為減少往復式活塞壓縮機內摩擦并降低輸入功率值，連桿孔與曲軸間需要保證極小的摩擦系數和很高的表面接觸率，要求圓度≤2µm，表面粗糙度≤Ra0.4，尺寸精度≤2µm，使用傳統切削辦法很難達到如此高的要求，因而在壓縮機零件中一直是較為難加工的鋁合金材料。

　　2 PCD的基本特點及高速干切削技術
　　隨著聚晶金剛石(PCD)刀具技術和高速切削技術的發展，針對SAE327的切削性能，我們使用PCD刀具對連桿孔進行高速干式鏜削，較好地解決了問題。PCD材質穩定，使用性能可以預測，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，具有非常鋒利的刀刃，有很好的導熱性，線膨脹系數很小，摩擦系數也小。但其主要缺點是強度低，脆性大，抗沖擊能力差。因此一般不用于斷續切削和重負荷切削。采用PCD刀具加工鋁合金時，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，不易產生積屑瘤，加工尺寸穩定性以及表面質量都很好。在Ra0.02～0.32µm的條件下，可獲得5～7級精度。
　　鋁合金傳熱系數高，線膨脹系數大，在加工過程中會大量吸收切削熱，使工件發生熱變形，而且鋁合金硬度和熔點都較低，因此加工過程中切屑容易與刀具發生“膠焊”或粘連，形成積屑瘤，這都是傳統鋁合金干切削中遇到的最大難題。解決的最好辦法是采用高速干切。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被局部熔化，形成一層極薄的液態膜，因而切屑很容易在瞬間被切離工件，大大減少切削力和產生積屑瘤，而且工件基本可以保持常溫。既可以提高生產率，又改善了表面質量。

　　3 PCD鏜刀加工SAE327的切削性能
　　我們使用PCD刀具對SAE327進行高速干鏜孔，經過反復切削試驗對其工藝進行摸索和總結。加工連桿孔的情況基本如下：同一只鏜刀中，硬質合金刀頭用于粗加工，PCD刀片精加工，單邊余量為0.05mm。連桿組件大孔中間兩邊有0.5mm的縫隙，孔表面中間有f5mm油孔，由于加工表面非連續，應屬于斷續切削。無切削液的干切，有壓縮空氣噴射清除切屑。

　　1)切削速度的影響
　　切削試驗表明，PCD切削速度與SAE327孔表面粗糙度關系很大。在實際生產中，為保證較低的表面粗糙度，可以采用較高的切削速度。但切削速度達到一定程度之后，由于高速條件下系統剛性和平衡性問題，表面粗糙度不但無法再繼續下降，反而略有升高，而且機床功率要增加很多。所以一般情況下經濟切削速度維持在140～180m/min之間即可，追求過高的切削速度是沒有必要的。

　　2)進給速度的影響
　　試驗表明，PCD進給速度與SAE327孔表面粗糙度之間有一定的關系。為綜合保證較低的表面粗糙度和較高的生產率，選擇合適的進給速度是重要的，應避開粗糙度為最高點時的進給速度。合適的進給速度也與PCD的刀具角度和刀尖型式有關。

　　3)刀具幾何型式的影響
　　針對PCD的脆性缺點，而且我們加工剖分式連桿，孔中間有一定的縫隙，因此刀刃的幾何參數應該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。切削實際表明：頂刃小圓弧的擠光作用對表面粗糙度的下降是有益的。雖然此時PCD刀尖不鋒利，但切削效果卻比鋒利時還要好些。此時粗糙度由原來的Ra0.3～0.33µm降低到Ra0.15～0.18µm，這對提高連桿與曲軸之間的表面接觸率，減少摩擦是有利的。精切SAE327時，可選擇PCD鏜刀的前角g00°，后角a010°～15°，主偏角kr=50°～70°，刃傾角ls=0°。安裝時鏜刀頭安裝孔對鏜刀桿中心可以有偏心以保證實際切削的前角更大些。

　　4)刀具與機床系統
　　PCD高速切削系統是一個復雜的綜合系統，除了PCD刀具自身外，仍需要注意切削系統的其它部分。機床主軸與刀具的接口是非常關鍵的環節，它直接影響加工精度的穩定性。我們將連桿鏜床鏜刀柄與機床主軸的接口采用HSK32C。其主要優點是：采用錐面與端面過定位的結合形式，能有效地提高結合剛度；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，故有較強的抗扭能力，且能抑制因振動產生的微量位移，這一點對系統剛性非常重要。

　　生產事實證明，使用HSK刀柄具有較高的重復安裝精度，對于提高離機對刀與上機后的一致性和增加刀具與主軸的配合剛性，其作用是關鍵的。同時為提高刀具系統的剛性，在滿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。
　　我們對連桿精鏜床進行了主軸的改進，配置徑向和軸向液體靜壓軸承，剛度高，承載能力強，阻尼特性好，切削試驗表明：配置靜壓軸承效果是很好的，提高靜壓壓力對加工出較高的表面質量是有利的。最終確定使用高壓齒輪泵供油，壓力高達4.5MPa，主軸近端徑向跳動<0.5µm，加工出連桿孔圓度<1.5µm。加工孔表面高圓度的主要原因是靜壓軸承高剛度油膜對軸徑圓度誤差的均化作用。滾動軸承的旋轉精度很難超過其滾道自身的圓度，且受滾動軸承制造和裝配精度的限制，目前即使使用配置精密主軸滾動軸承的鏜床大批量穩定地加工出表面圓度小于3～4µm仍是比較困難的。

　　4工藝系統中需要注意的其它問題
　　防止高速切削振動：對高速回轉的鏜刀進行動平衡。減少高速旋轉時由于刀具不平衡量造成的離心力振動，對提高工件表面質量是必要的，切削實際表明：經過動平衡的PCD鏜刀系統與不經平衡的刀具系統相比，表面粗糙度下降Ra9,1~0,5mm，并有效減少了表面波紋度。
　　在實際加工中，連桿孔表面有時出現波紋。表面波紋度是介于形狀誤差和粗糙度之間的一種中間狀態，目前還無標準明確判定。產生的主要原因是加工系統的微振動。在高速切削中，由于系統剛性不足造成的往往是表面波紋。除刀具本身結構剛度和平衡性影響之外，其中結合面之間的接觸剛度是主要原因。除了主軸HSK接口外，試驗表明：使用組合可調節式鏜刀比較容易出現波紋，而使用整體式鏜刀出現的此類情況較少。如要避免表面波紋，應盡量避免采用模塊組合式鏜刀。一般組合鏜刀雖然微調節方便，但由于制造精度限制及不能預緊，在高速加工時會發生由于結合面之間接觸剛度不足造成的顫振，影響表面質量，嚴重時還會影響尺寸精度，對大批量生產非常不利。整體式刀具在這點上就有其優勢，一旦調整好基本可以長時間地放心使用。
　　對于高速旋轉的刀具，消除或減弱產生自激振動的因素是非常重要的。在實際生產中比較簡單有效的方法是適當減小后角a0，在后刀面上磨出消振棱增加切削阻尼，鏜孔時使刀尖低于工件軸線獲得小后角。頂刃磨出小圓弧也提高了切削系統的阻尼特性。