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轉述:
1 .SAE327的材料特点和切削难点
SAE327为铸造硅铝合金,是制冷压缩机连杆的主要材料。主要元素含量Si7~8。6%。Cu1~2%&gh,Mg0.25%~0.6%, Mn0.5%~0.8%。抗拉强度>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组成。
切削加工时,Al的塑性大,熔点低,易在工件表面与刀尖接触处产生积屑瘤,随后与破碎的初晶Si一起使工件部分表皮剥落,形成刀痕,使工件表面粗糙度变 差。同时由于高硬度的Si含量较高,刀具也容易磨损。目前对压缩机效率值COP的要求不断提高,为减少往复式活塞压缩机内摩擦并降低输入功率值,连杆孔与 曲轴间需要保证极小的摩擦系数和很高的表面接触率,要求圆度≤2祄,表面粗糙度≤Ra0.4,尺寸精度≤2祄,使用传统切削办法很难达到如此高的要求,因 而在压缩机零件中一直是较为难加工的铝合金材料。
2 .PCD的基本特点及高速干切削技术

随着聚晶金刚石(PCD)刀具技术和高速切削技术的发展,针对SAE327的切削性能,我们使用PCD刀具对连杆孔进行高速干式镗削,较好地解决了问题。PCD材质稳定,使用性能可以预测,故比天然金刚石更合适于作为切削刀具。
PCD具有目前最高的硬度和耐磨性,具有非常锋利的刀刃,有很好的导热性,线膨胀系数很小,摩擦系数也小。但其主要缺点是强度低,脆性大,抗冲击能力差。 因此一般不用于断续切削和重负荷切削。采用PCD刀具加工铝合金时,由于金刚石硬度高,表面与金属亲和力小,且刀具一般抛光成镜面,不易产生积屑瘤,加工 尺寸稳定性以及表面质量都很好。在Ra0.02~0.32祄的条件下,可获得5~7级精度。
铝合金传热系数高,线膨胀系数大,在加工过程中会大量吸收切削热,使工件发生热变形,而且铝合金硬度和熔点都较低,因此加工过程中切屑容易与刀具发生“胶 焊”或粘连,形成积屑瘤,这都是传统铝合金干切削中遇到的最大难题。解决的最好办法是采用高速干切。高速切削中,95%的热量都传给了切屑,切屑在与前刀 面接触的界面上会被局部熔化,形成一层极薄的液态膜,因而切屑很容易在瞬间被切离工件,大大减少切削力和产生积屑瘤,而且工件基本可以保持常温。既可以提 高生产率,又改善了表面质量。
3 .PCD镗刀加工SAE327的切削性能我们使用PCD刀具对SAE327进行高速干镗孔,经过反复切削试验对其工艺进行摸索和总结。加工连杆孔的情况基 本如下:同一只镗刀中,硬质合金刀头用于粗加工,PCD刀片精加工,单边余量为0.05mm(见图1)。连杆组件大孔中间两边有0.5mm的缝隙(见图 2),孔表面中间有f5mm 油孔,由于加工表面非连续,应属于断续切削。无切削液的干切,有压缩空气喷射清除切屑。切削速度的影响
切削试验表明,PCD切削速度与SAE327孔表面粗糙度关系很大。在实际生产中,为保证较低的表面粗糙度,可以采用较高的切削速度。但切削速度达到一定 程度之后,由于高速条件下系统刚性和平衡性问题,表面粗糙度不但无法再继续下降,反而略有升高,而且机床功率要增加很多。所以一般情况下经济切削速度维持 在140~180m/min 之间即可,追求过高的切削速度是没有必要的。进给速度的影响试验表明,PCD进给速度与SAE327孔表面粗糙度之间有一定的关系。为综合保证较低的表面 粗糙度和较高的生产率,选择合适的进给速度是重要的,应避开粗糙度为最高点时的进给速度。合适的进给速度也与PCD 的刀具角度和刀尖型式有关。
刀具几何型式的影响针对PCD的脆性缺点,而且我们加工剖分式连杆,孔中间有一定的缝隙,因此刀刃的几何参数应该尽量考虑减小崩刃的可能。一般刀尖顶刃形 式分为小圆弧、大圆弧、直线形、多边形折线。切削实际表明:顶刃小圆弧的挤光作用对表面粗糙度的下降是有益的。虽然此时PCD刀尖不锋利,但切削效果却比 锋利时还要好些。此时粗糙度由原来的Ra0.3~0.33祄降低到Ra0.15~0.18祄,这对提高连杆与曲轴之间的表面接触率,减少摩擦是有利的。精 切SAE327时,可选择PCD镗刀的前角g00°,后角a010°~15°,主偏角kr=50°~70°,刃倾角ls=0°。安装时镗刀头安装孔对镗刀 杆中心可以有偏心以保证实际切削的前角更大些。刀具与机床系统PCD高速切削系统是一个复杂的综合系统,除了PCD刀具自身外,仍需要注意切削系统的其它 部分。
机床主轴与刀具的接口是非常关键的环节,它直接影响加工精度的稳定性。我们将连杆镗床镗刀柄与机床主轴的接口采用HSK32C。其主要优点是:采用锥面与 端面过定位的结合形式,能有效地提高结合刚度;具有良好的高速性能;1:10锥度与7:24锥度相比较短,楔形效果好,故有较强的抗扭能力,且能抑制因振 动产生的微量位移,这一点对系统刚性非常重要。生产事实证明,使用HSK刀柄具有较高的重复安装精度,对于提高离机对刀与上机后的一致性和增加刀具与主轴 的配合刚性,其作用是关键的。同时为提高刀具系统的刚性,在满足容屑和排屑的情况下,尽量使刀杆直径与被加工孔直径接近。我们对连杆精镗床进行了主轴的改 进,配置径向和轴向液体静压轴承,刚度高,承载能力强,阻尼特性好,切削试验表明:配置静压轴承效果是很好的,提高静压压力对加工出较高的表面质量是有利 的。最终确定使用高压齿轮泵供油,压力高达4.5MPa,主轴近端径向跳动。
4 .工艺系统中需要注意的其它问题防止高速切削振动:对高速回转的镗刀进行动平衡。减少高速旋转时由于刀具不平衡量造成的离心力振动,对提高工件表面质量是 必要的,切削实际表明:经过动平衡的PCD镗刀系统与不经平衡的刀具系统相比,表面粗糙度下降Ra9,1~0,5mm,并有效减少了表面波纹度。在实际加 工中,连杆孔表面有时出现波纹。表面波纹度是介于形状误差和粗糙度之间的一种中间状态,目前还无标准明确判定。产生的主要原因是加工系统的微振动。
在高速切削中,由于系统刚性不足造成的往往是表面波纹。除刀具本身结构刚度和平衡性影响之外,其中结合面之间的接触刚度是主要原因。除了主轴HSK接口 外,试验表明:使用组合可调节式镗刀比较容易出现波纹,而使用整体式镗刀出现的此类情况较少。如要避免表面波纹,应尽量避免采用模块组合式镗刀。一般组合 镗刀虽然微调节方便,但由于制造精度限制及不能预紧,在高速加工时会发生由于结合面之间接触刚度不足造成的颤振,影响表面质量,严重时还会影响尺寸精度, 对大批量生产非常不利。整体式刀具在这点上就有其优势,一旦调整好基本可以长时间地放心使用。对于高速旋转的刀具,消除或减弱产生自激振动的因素是非常重 要的。在实际生产中比较简单有效的方法是适当减小后角a0,在后刀面上磨出消振棱增加切削阻尼,镗孔时使刀尖低于工件轴线获得小后角。顶刃磨出小圆弧也提 高了切削系统的阻尼特性。


 



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