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PCD刀具切削SAE327硅铝合金工艺研究
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 西安高科远东制冷公司 张绍军 田步勋点击:
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%，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，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≤2μm，表面粗糙度≤Ra0.4，尺寸精度≤2μm，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Ra0.02～0.32μm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。无的干切，有压缩空气喷射清除切屑。
切削试验表明，PCD切削速度与SAE327孔表面粗糙度关系很大（见图3）。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。
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（见图4）。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。
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Ra0.3～0.33μm降低到Ra0.15～0.18μm，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。
4) 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。最终确定使用高压泵供油，压力高达4.5MPa，主轴近端径向跳动<0.5μm，加工出连杆孔圆度<1.5μm。加工孔表面高圆度的主要原因是静压轴承高刚度油膜对轴径圆度误差的均化作用。滚动轴承的旋转精度很难超过其滚道自身的圆度，且受滚动轴承制造和装配精度的限制，目前即使使用配置精密主轴滚动轴承的镗床大批量稳定地加工出表面圆度小于3～4μm仍是比较困难的。
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。(end)
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%，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，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≤2μm，表面粗糙度≤Ra0.4，尺寸精度≤2μm，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Ra0.02～0.32μm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。无的干切，有压缩空气喷射清除切屑。
图1
图2
切削试验表明，PCD切削速度与SAE327孔表面粗糙度关系很大（见图3）。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。
图3
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（见图4）。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。
图4
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Ra0.3～0.33μm降低到Ra0.15～0.18μm，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。
4) 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。最终确定使用高压泵供油，压力高达4.5MPa，主轴近端径向跳动<0.5μm，加工出连杆孔圆度<1.5μm。加工孔表面高圆度的主要原因是静压轴承高刚度油膜对轴径圆度误差的均化作用。滚动轴承的旋转精度很难超过其滚道自身的圆度，且受滚动轴承制造和装配精度的限制，目前即使使用配置精密主轴滚动轴承的镗床大批量稳定地加工出表面圆度小于3～4μm仍是比较困难的。
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。(end)
