近年，我國東部某廠自主研發了一款油耗低、動力強、可靠性高的重型柴油機，深得用戶青睞，其氣缸體上有諸多用于冷卻水道或潤滑油道的深孔需要加工，其中底面φ26mm×275mm就是其中之一。為提升設備利用率，減少投資成本，在設計方案時放棄了傳統的專用機床方案，而采用德國進口GROB(格勞博)高速加工中心加工，但經常會出現可修磨槍鉆壽命低、斷刀率高等問題。
 

　　1.加工條件
 

　　加工設備：德國GROB G700加工中心
 

　　槍鉆：單刃焊接槍鉆φ26mm×546mm
 

　　刀柄：GUHRING HSK100-A側固鎖緊
 

　　切削液：FUCHS水溶性乳化液ECOCOOL 68CF2W，乳化液濃度：8-10%
 

　　內冷流量壓力：75L/min，4MPa
 

　　切削參數：底面油孔，孔直徑26mm，孔深275mm，轉速1041r/min，線速度85m/min，進給量240mm/min，每齒進給量0.23mm
 

　　工藝要求如圖1所示。
 

 

圖1  底面深油孔加工工藝要求
 

　　2.實際使用中存在的問題
 

　　該生產線投入使用后，為保證此類深孔加工質量穩定性，槍鉆刀具為德國生產。但在實際使用中經常出現崩刃和斷刀(見圖2)等問題，造成刀具損耗和零件報廢。
 

圖2 槍鉆斷刀
 

　　統計該工序近半年時間內刀具使用情況得知：累計使用該槍鉆230次，其中斷刀15次，斷刀率達到6.4%，刀具異常損耗達數萬元。此外，為了減少發動機自重，缸體采用精密薄壁鑄造工藝，實測該深油孔加工完后其厚度不足5mm，故在斷刀發生后，由于鐵屑和硬質合金刀頭擠壓，很容易造成孔壁破壞，從而造成整個氣缸體報廢，近半年造成工廢6件。
 

　　3.原因分析
 

　　通過組織技術人員分析排查刀具壽命情況和異常斷刀狀態，同時通過機床自帶的主軸監控系統，分析其加工過程情況，進一步分析排查該深油孔加工斷刀原因，主要為：
 

　　（1）槍鉆刃口磨損嚴重。通過對換下的槍鉆進行觀察，發現槍鉆主切削刃、側刃和后刀面磨損情況比較嚴重，軸向磨損量超過2mm，增大了槍鉆鉆削過程中的切削阻力，增加斷刀風險。
 

　　槍鉆刀頭磨損嚴重，與槍鉆沒有涂層有很大關系，缺少涂層對刀頭硬質合金基體隔熱和潤滑保護，其磨損會急劇加快。而槍鉆由于刀頭和槍身需要焊接，加之兩種材料高溫變形量不同，決定了其無法在精磨后實施涂層工藝。
 

　　（2）排屑不暢。在對機床設備監控系統數據進行分析排查時發現，按照刀具布置圖要求機床內冷流量/壓力：75L/min、4MPa，但近半年出現多達20次以上的內冷高壓報警，伴隨該報警信息之后就會出現主軸負載報警以及斷刀的發生。
 

　　之后，進一步對機床主軸負載曲線分析，并比較正常加工和斷刀件的負載監控曲線后發現(見圖3)，正常加工的工作主軸負載新刀的上下波動范圍35-55%，整個加工過程是一個線性均勻變化曲線，前后兩個工件間的波動幅度小于5%；而斷刀件負載監控圖形，則會在內冷堵塞的時候不斷升高，一般達到70%時，槍鉆刀頭焊接部位會扭斷，該過程中其負載上下波動范圍在45-70%，幅度達到25%；斷刀工件孔內的大量鐵屑也證實，排屑不暢，存在鐵屑堵塞現象是該槍鉆斷刀的主要原因之一。

 

　　(a)正常加工                                                      (b)斷刀時
 

　　圖3 主軸負載監控圖形
 

　　4.優化改進方案
 

　　針對上述排查，刃口沒有涂層保護、加工過程中存在堵屑問題是兩個主要原因，確定后續改進優化方向和措施：
 

　　（1）提升排屑性能。通過增大內冷壓力或流量方式，提升排屑性能。
 

　　（2）增加刀具耐磨性。在刀具材質不能改善的情況下，實施涂層工藝。
 

　　（3）加強刀桿強度。采用強度等級更高的刀桿，提高槍鉆剛性，防止加工時刀桿斷裂。
 

　　（4）改善斷屑效果。優化切削刃口形式，改變鐵屑形狀，使其更利于排屑。
 

　　其中提升排屑性能方案，若提升內冷壓力至6MPa，需要更換螺桿泵，成本較高，故考慮通過改善刀具結構來提升排屑效果。
 

　　在和德國技術專家討論后，結合其實際應用案例，決定采用可轉位刀片+帶導條機夾式刀桿的刀具方案來進行刀具優化，具體結構如圖4所示。
 

圖4  1、4、7-螺釘 2、5、8-轉位刀片  3-導條  6-刀桿
 

　　5.刀具試驗過程
 

　　在試驗刀具完成到位后，立即組織刀具試驗，在次按照原參數和壽命試驗，正常達到原強制換刀壽命后，為進一步挖掘刀具潛力，嘗試開展極限壽命試驗，從試驗結果來看，刀具壽命有一定程度提升。
 

　　新轉位刀具特點如下：
 

　　(1)刀桿采用高強度合金鋼代替普通鋼管精制而成，強度提升50%，刀桿成為可反復使用的耐用品。
 

　　(2)采用兩段30mm磨制高精度硬質合金導條，保持加工過程中刀具支撐和平衡，利用導條自導向后續加工，保證深孔具有較好的孔徑和直線度。
 

　　(3)采用3片帶有復合TiAlN涂層、斷屑槽可轉位刀片組成主切削刃，耐磨性更好，錯齒式布置，將26mm內鐵屑分為6段，相比原槍鉆的4段，鐵屑更短，加之刀片前有壓制斷屑槽，更有利于排屑。
 

　　具體刀具及切削部位如圖5所示。
 

圖5 優化后轉位刀具及切削部位
 

　　6.持續改進
 

　　在試驗取得初步成功后，繼續對刀片存在微崩的異常情況進行分析、排查發現，該深孔在中間部位有一個φ10mm相貫孔和底部貫穿孔，加工至該部位時存在破孔和單邊切削沖擊，通過對NC程序優化，采取分段式進給。通過對使用后刀片觀察發現，刀片失效形式正常。
 

　　結語
 

　　新可轉位刀片式槍鉆，經過半年時間合計201次的換刀驗證，平均可加工孔數達到118，未出現過斷刀，杜絕了因斷刀問題造成的工件報廢。同時，可轉位刀片裝調方便快捷，省去修磨環節；加工節拍也由之前的69.5s降至59.5s，單臺刀具消耗成本節省約1.05元，提效降本明顯。
 

　　后續將進一步推廣應用可轉位刀片式槍鉆成果。
 

　　(原標題：WMEM|發動機深孔加工技術)