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半精加工凸轮轴孔镗刀的设计及应用
2006年5月8日 10:7  

    在柴油机行业中,缸盖上的凸轮轴孔的半精加工是其制造过程中的难点之一,其孔的尺寸精度、形位公差及表面粗糙度均有较高的要求,一般采用铰削加工。但铰削加工余量小,切削速度低,对大批量生产,尤其是在生产线上,难以达到高加工节拍的要求。并且高精度铰刀的制造成本高,刀具的初始投入和加工过程中刀片的消耗成本高,客户从经济性出发,难以接受。为此,我们设计并制造了凸轮轴孔半精镗刀。

    一.凸轮轴孔半精镗刀的结构和特点

    被加工件结构描述

    在缸盖上有凸轮轴孔的表面加工完成后,将轴瓦镶好,并拧紧螺栓,使之成为一个整体。但合成后,由于毛坏余量不均等种种原因,则内孔及端面非常不规则,易造成刀具振动。在此序加工零件的要求为:内孔尺寸f42.5mm,五个孔的同轴度f0.03mm,表面粗糙度Ra1.6。

    凸轮轴孔半精镗刀结构及特点

    ⑴工具柄部采用MAS403标准中的BT50号7:24锥柄,公差等级为AT3级,刀杆有效长度为388mm。刀具采用了整体式结构,增强了刀具刚性。

    ⑵切削部分采用两个轴向、径向均可调的WALTER小型刀夹FR671。便于调整刀具的端跳和径跳及刀具的尺寸精度。

    ⑶刀片采用CCMT060204-PS4WAK10,拥有超强耐磨和辨别磨损情况的双色涂层老虎刀片,是铸件加工的专用刀片,切削性能及寿命提高75%。它降低了磨损、减少了消耗、提高工作效率。

    ⑷刀具采用了四条均匀分布导向块结构,能承受由于余量不均,引起的切削力不平衡,造成刀杆各方振动。且刀具自行导向,可增加刀具刚性,提高效率。

    ⑸刀具采用了中心冷却,油性切削液协助排屑,切削液的冷却作用主要是带走大量的切削热,降低切削温度;减少工件、刀具的热膨胀,提高加工精度。在切削过程中,刀具前刀面与切屑接触,发生剧烈摩擦,压力很高(1Gpa以上),切削液也起到边界润滑作用。

    二.凸轮轴孔半精镗刀的部分设计参数的确定与选取

    刀杆材料及热处理硬度的确定与选取

    刀杆材料的选择,直接关系到刀杆的强度及刚性,是该刀具能否成功的关键。我们选择了相当于国内20CrMnTi的材料。生产工艺为:锻造、正火、粗加工、半精加工、热处理、精加工的工艺路线。毛坯在机加前需正火,其目的是为了改善锻造状态的不正常组织,以利于切削加工,保证零件合格。渗碳层厚度为0.8-1.2mm。渗碳后淬火,其表面层由于碳含量较高,表面在淬火低温回火后基本上是回火马氏体组织,具有很高的硬度及耐磨性,硬度为HRC53-58;其芯部由于Cr、Mn元素提高钢的淬透性的影响,此材料在淬火低温回火后可以获得回火低碳马氏体组织,具有高的强度和足够的冲击韧性的良好配合。因此,该材料经上述冷热加工和热处理后,所获得的性能完全满足技术要求。

    刀杆上刀夹槽尺寸的确定与选取

    根据被加工件内孔的尺寸,确定刀夹只能采取轴向安装,具体情况见图2。

    导向块直径尺寸及精度的确定与选取

    为保证镗孔时能平稳加工,刀体上有四个支撑条定位。刀片装配之后,对支撑条的径向圆跳动不得超过0.02mm。支撑条的引导角应等于刀齿的主偏角,同时支撑条的轴向端点(最低点)应低于刀尖0.5mm左右。根据我们的经验,支撑条的长度是直径的1-4倍,宽度是直径的0.2倍。由于支撑条的表面粗糙度值直接影响被加工孔的表面粗糙度值,为降低被加工孔的表面粗糙度值,常取支撑条的表面粗糙度Ra≤0.1µm。

    从工作情况来看,有两条支撑条就可以了,即导向块位于刀夹槽的后面20°左右。这样布置可以使导向块承受切削力,以保证镗出的孔的尺寸精度和直线性。材料力学的弯曲变形理论说明,悬臂梁的末端变形量与其悬伸长度的3次方成正比。增加支撑条后,由于悬臂长度大大减小,刀具刚性将极大好转。实践经验表明,在镗比较深的孔时,沿镗刀杆圆周焊接四条支撑条,将有效提高镗刀的刚性。增加的两条支撑条主要起阻尼作用,减少振动。支撑条除了起保证孔径尺寸精度和导向的作用外,由于它对孔壁的挤压和摩擦作用,对已加工孔的表面粗糙度有很大影响。

    为保证支撑条有相应的挤压余量,减少被加工孔的表面粗糙度值,要求刀具中心到刀尖的半径不与刀具中心到导向块的半径重合。这个差值取决于被加工材料,铸铁件的加工:在被加工材料的硬度为HBS≤200时,支撑条与刀尖的半径-0.005mm~0.005mm;在被加工材料的硬度为HBS≥200时,支撑条与刀尖的半径0.002mm~0.02mm。

    三.使用过程中的注意事项

    主要切削参数

    切削速度:100m/min

    进给速度:150mm/min

    主轴转速:750r/min

    每齿进给:0.1mm/Z

    使用前应注意检查支撑条边缘是否光滑,避免运输、储存等环节中对支撑条边缘的损伤影响加工质量。如果发现支撑条边缘有毛刺、崩口等不光滑现象,应及时用油石背光,以提高被加工件的尺寸稳定性,改善被加工件的表面粗糙度。

    机床工作应稳定,工艺系统刚性要好,防止被加工件振动。

    润滑液必需充足,浓度为15%左右。

 
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