淺析座圈粗加工刀具

    粗加工對于加工過程以及工件的加工質量有著重要的影響。在發動機座圈孔面的加工中，由于粗加工刀具的改進，實現了更好的產品質量。

    在發動機缸蓋的座圈加工中，通常的加工工藝為：粗加工座圈底孔、精加工座圈底孔、壓裝座圈、粗加工座圈密封面和精加工座圈密封面。在整個加工過程中，每一個工步都是重要的環節。因為，加工好一個優質的座圈導管，是發動機缸蓋加工的關鍵。

    實際加工中，刀具的合理匹配和使用，以及精加工座圈的刀具的使用是必須重視的。以粗加工刀具為例，由于座圈的材料差異性，會直接影響到最終加工狀況的差異性。故選擇合理的粗加工刀具就可為接下來的最終加工創造條件，反之，則直接影響到最終加工的質量。因此，合理使用粗加工刀具的相關參數，選擇合適的粗加工刀具，是我們必須注意的地方。

缺陷的產生

    以某排量發動機氣缸座圈加工為例。為了進一步提升發動機的性能，我廠對進氣座圈的材料進行了調整，主要是增加了該種材料的表面硬度。但在隨后的試切加工中，發現原來正常使用的刀具在加工了30～50件安裝了新座圈的工件后，座圈密封面上的60°面出現了爆口現象（圖1），刀具的使用壽命僅達到其先前實際壽命的15%。經過技術人員對所有進氣座圈邊緣有爆口的工件進行目檢，我們發現缸蓋的8個進氣座圈中，不是所有的座圈都有爆口現象，有的是1個座圈邊緣有1～3個爆口，有的是2～3個座圈上，在邊緣出現1～3個爆口。

圖1 座圈面上的缺陷

問題分析

    根據加工過程中出現邊緣崩口的現象，我們從下面幾個方面來分析：

1.失效分析

    圖1所示的加工缺陷，如果不能及時發現，會使發動機在使用過程中，出現積碳、泄漏、燃油燃燒不充分、功率下降及冒黑煙等嚴重問題。因此，該類缺陷必須徹底予以解決。

2.座圈材料成分

    表中所示為座圈的材料成分，可以看出鉻、鉬和鈷的含量增加，直接增加了加工的難度（硬度值對照：222HV＝95HRB，372HV＝110HRB)。新舊座圈的硬度差異性很明顯，因此綜合起來比較，對加工刀具的要求有一定的提高。

3.表象分析

    根據目檢加工出現缺陷的座圈，我們發現產生爆口的進氣座圈均是在壓裝后，座圈端面比座圈底孔加工孔口面略微高出一點。

4.加工工藝分析

    該發動機的缸蓋，共有8個進氣座圈，8個排氣座圈，其座圈加工分粗、精加工來完成。

    當座圈壓入后，首先由硬質合金刀片承擔座圈44.7°面的粗加工（圖2），該工步將精加工的60°面、44.7°面和30°斜面均先加工成44.7°斜面；接著再由刀具材質為CBN的刀具承擔60°面、44.7°面和30°面的精加工（圖3），且粗加工與精加工是在同一臺機床上完成，即一次裝夾完成座圈的粗、精加工內容。按上述的加工工藝，在平時的實際生產中，工件質量與刀具壽命均符合設定的技術要求（粗加工的硬質合金刀具壽命340件，精加工的CBN刀具壽命340件）。

圖2 完成座圈44.7°面的粗加工

圖3 精加工其余加工面

解決過程

    解決問題，一般應遵循以下原則：選擇順序由簡單到復雜；由可能的主要方向到一般分析的可能原因；由高概率出現到低頻率的可能。

1.調整配合高度加以驗證

    根據以上分析，我們首先從座圈壓裝以后的配合高度來驗證。這種細小的落差是否會影響到加工中出現的爆口缺陷。選擇理由：由于座圈的表面硬度比原先的硬度高，因此也就增加了其脆性度，而且座圈端面又略高于底孔孔口，在刀具的擠壓下，座圈側面沒有阻力就容易產生爆口。

    根據這種假設，在不超差的前提下，盡量增加座圈底孔的加工深度，使壓入的座圈基本上低于座圈底孔的孔口表面。

    利用原先的刀具進行加工驗證，結果：試切10件，10件工件均未發生爆口現象�；�于狀況大有改善，再盡可能加深底孔，讓壓入的座圈基本低于毛坯的情況下來驗證加工。先用原來的CBN刀具FT01（新刀片）進行試驗，在加工到50件后又發現了爆口現象，說明此座圈與底孔的配合落差不是直接原因。

2.調整參數

    切削參數的調整是解決問題過程中比較方便的手段。通過降低精加工刀具的切削力，來改變這種狀態。針對不同的刀具，用不同的加工參數進行試驗。如對材質為FT05的CBN刀具，將原來0.09mm/r降低到0.07mm/r，狀態仍未改變，后又調整到0.06mm/r、0.05mm/r，甚至調整到0.04mm/r，爆口情況仍有發生。所以，進給量的調整沒有效果。

    接下來選擇精加工刀片材料的變化和切削角度的改變來試驗解決這個崩口問題。更換預先準備的各種不同材質和不同后角的刀具，均未取得預期的效果。有的僅加工1～2件就有爆口，有的加工10件就有爆口。因此試圖通過改變現有精加工刀具材料是無法消除爆口狀況的。

3.粗加工參數調整

    重新審核加工過程中的各種工藝、刀具，假如粗加工的硬質合金刀片在加工較硬材料時，發生了比原先更快的磨損，這時候，刀具的鈍化直接加劇對座圈產生擠壓而出現爆口。盡管粗加工是44.7°面，但由于粗加工是將整個座圈都加工成44.7°的，60°面是在44.7°面的基礎上進行的精加工，如果在加工44.7°面時就已經產生了爆口，而60°面的精加工若不能把爆口完全切削掉，即最后60°面會產生爆口現象。

    根據這種分析進行了第3次試切加工，仍使用原有的刀具和切削參數，當粗加工刀具切削到40件、50件和60件時，分別進行檢查，發現基本上到50～60件時，粗加工的刀具磨損情況已較為嚴重，于是把粗加工的硬質合金刀具壽命設為60件，再進行試驗，期間未發生爆口的情況。

解決方案

    試驗結果告訴我們，原先使用的刀具產品無法滿足使用壽命要求，必須更換或者重新選擇粗加工的刀具材料。刃口鋒利的硬質合金刀具，在加工較軟材料時，有其優勢，因此刀具使用壽命也比較高。但鋒利刃口在加工比較硬的材料時，其刃口磨損加快，容易造成對加工面的擠壓，直致出現邊緣崩口。因此，解決問題的思路調整為：增加刀片表面的耐磨性；微鈍處理刀片的主切削刃刃口，減少初始磨損的加快程度。

    目前可選擇的解決辦法，就是調整刀具材質，以降低磨損的速度，從而提高刀具的使用壽命。把粗加工的刀具材質從原來的硬質合金改為涂層硬質合金刀片，選擇微鈍刃口的主切削刃，如涂層為TiAlN的硬質合金刀片�；謴妥�圈底孔的深度，調整其到中間值，再進行試驗，得到了非常好的效果，在座圈密封面未發生爆口前的刀具壽命在600件左右，使用壽命大大提高。

結語

    一般的機械加工中，我們通常不太注意粗加工刀具的加工情況，認為粗加工僅僅是為了減少精加工的加工余量，是為了精加工的加工質量而進行的預加工，而精加工刀具才是決定產品質量的關鍵。因此，在實際使用時，較為注重精加工的狀況，而忽視粗加工的加工狀況。

    從上述案例中可以看到，粗加工的好壞對精加工起了較為關鍵的作用，因此，“粗”并不是不要關注，加工的前后狀況往往直接影響到最終的質量。粗加工刀具的選擇是否合適，在機加工過程中也應引起足夠的關注。