缸頭加工刀具的選擇和使用

■濟南輕騎發動機有限公司（山東 250101）段洪珍 樊國榮

1.項目介紹

圖1是我公司給國外某公司加工的缸頭項目，從圖中可以看出，所加工的工件結構復雜，尺寸比較多，同時所加工的尺寸要求也比較嚴，因此對加工中所需刀具也提出了更高的要求。

2.蓋面加工

從圖1可以看出蓋面所加工的尺寸較多，但歸納起來主要有三類尺寸：銑面、鉆鉸孔和攻螺紋。

圖1

蓋面上的面加工，圖樣要求表面粗糙度值Ra≤1.6 μm，平面度0.05 mm，要求雖然比較高，由于加工面比較窄，相對好保證，但由于邊緣較多，容易產生毛刺，缸頭的材料含硅量在6.5%～7.5%之間，低于12%的硅鋁合金，材料韌性較好，加工中容易產生毛刺，如果不注意對毛刺的控制，油道邊緣未去除的毛刺在缸頭工作時很有可能會掉落到油路中，對缸頭的工作產生影響，同時對下道工序及裝配都存在安全隱患。針對以上加工特點，蓋面加工時需要選擇能適應高速切削且切削鋒利的面銑刀，面銑刀上起關鍵作用的是刀片，因此在刀片選用上，采用專門加工鋁的硬質合金刀片，配以合適的切削參數，雖然可以保證加工要求，且加工中所產生的毛刺有所改善，但所產生的毛刺仍存在安全隱患，為了更加有效地去除毛刺，特意根據所加工的材料，經過多次試驗，訂做了適合缸頭材質的帶磨料的尼龍盤刷，與銑刀盤安裝在同一臺設備上，銑完面后，啟動設備上換刀系統，換盤刷去毛刺，這樣既去除了毛刺，又不傷害所加工的表面。

對于孔的加工，一般先用階梯鉆進行鉆孔、孔口倒角，后用鉸刀加工達到圖樣要求，根據加工經驗及設備狀況，一般鉆頭的直徑比鉸刀直徑小0.30 mm，這樣既避免了鉸刀的過度磨損，又避免了孔加工不全或出現橢圓孔。

蓋面上比較難加工的尺寸是凸輪軸孔：孔直徑（36±0.012）mm，4個孔的總長是340 mm，此孔長徑比較大，超過9∶1，直徑尺寸要求嚴，且有同軸度和圓柱度要求，為了保證加工要求，經過多方研究、討論制定了具體加工方案，在刀具的選擇上也進行了特殊研究及訂制。

攻螺紋工藝是先鉆底孔，再攻螺紋，鉆頭尺寸的確定是根據螺紋孔的要求而定，螺絲孔一般有米制、擠壓及美制等要求，各種螺紋孔對鉆頭直徑要求是不同的，如同樣是M6絲錐，米制絲錐要求鉆頭的底孔在4.92～5.15 mm，而擠壓絲錐要求底孔在5.459～5.560 mm，當然鉆頭公差的具體確定還需根據所用設備、所用刀柄及圖樣螺紋孔的精度要求來定。

3.合箱面加工

從圖2中可以看出，合 箱面上主要加工尺寸是銑面和氣門閥座、導管孔加工及鉆孔等。

合箱面的面加工，合箱面的寬度是220 mm，此平面的加工要求是平面度0.05 mm，表面粗糙度值Ra≤1.6m，從工藝要求來看，銑面的難點是所銑平面的寬度，通常銑刀盤的直徑需要比毛坯的最大切削寬度大25%～30%，以方便切屑的排出。依照這個標準，需選擇直徑275～286 mm的面銑刀，但是，如果選擇直徑為275～286 mm的面銑刀盤，不僅面銑刀盤的價格昂貴，而且就目前我公司現有設備一般是立式加工中心，設備換刀庫要求最大不相鄰刀具尺寸為150 mm，直徑275～286 mm的刀盤根本無法安裝在設備換刀庫中，若重新采購能用此刀盤的設備，那是不經濟的，也是沒必要的；若改用小直徑的面銑刀，多次走刀，總是有或多或少的接刀痕，同時為了消除接刀痕，必須選用更高標準刀盤、刀片，也增加了采購成本，在工裝的調試上也增加了難度。為了解決此問題，我公司對此刀具進行了特殊設計。

氣門閥座、導管孔加工尺寸是工件生產的關鍵尺寸，歷來是缸頭加工公司最為關注的部分，我公司也不例外。因此在刀具的選用上也最為關注，我公司在這方面也積累了多年的經驗。

圖2

下套前閥座和導管孔尺寸要求相對不是太嚴，一般刀具就能滿足要求。對于下套后刀具的選用，由于下套后氣門閥座密封性能直接影響發動機的燃燒和排放，氣門閥座與導管的加工質量又直接影響缸頭的密封性，是缸頭加工的關鍵工序，在刀具的選用上一般采用國外知名刀具品牌，根據缸頭圖樣要求訂做刀具。為滿足閥座和導管孔質量要求，也為了提高節拍，加工工藝是：先進行90°倒角粗加工及導管孔粗加工，這兩個工步在一把刀上加工，再進行90°閥座倒角精加工及精鉸導管孔，這兩個工步也是一把刀，精加工導管孔所用的刀具可以是鏜刀，也可以是鉸刀。在90°倒角精加工刀片選用上，為保證所加工表面的表面粗糙度質量，選用的材質是鑲嵌CBN刀片。

4.蓋面加工應用案例

蓋面比較難加工的尺寸是凸輪軸孔，如圖3所示，孔直徑（36±0.012）mm，4個孔的總長是340 mm，同時有同軸度及圓柱度要求。可以看出直徑36 mm尺寸要求嚴，長徑比較大，超過9∶1，為了保證加工要求，經過多方研究、討論制定了具體加工方案：先設計一把粗加工刀具，進行兩端加工，保證尺寸直徑是35.5 mm，這把刀可以用一般鏜刀保證。然后進行精加工，這是尺寸保證的關鍵。在工藝選擇方面，通過多次研究認為：為了保證圖樣尺寸、圓柱度及同軸度等，4個孔在同一方向上加工，且一次裝夾，以防止由于工裝旋轉或工件二次裝夾影響加工精度，具體加工工藝是先設計一把直徑36 mm、長度在150 mm左右的短刀進行前兩孔的加工，然后再設計一把直徑36 mm，長度>340 mm的刀具，以前兩個已加工好的孔為支撐，進行后面兩個孔的加工。在刀具選用上，為了保證所加工孔的尺寸要求，必須尋找一個刀具廠家，以保證刀具的精度、剛性和直線度等要求。我公司經過調研、查找樣本并與多個生產刀具的知名公司進行技術交流，選出了幾個對刀具制造有多年研究的國外廠家，又經過多次篩選、對比，最終選擇德國瑪帕（MAPAL）公司，通過與其進行多次交流、討論，最后確認了刀具設計方案，并對其設計的刀具圖樣進行確認，刀具形狀如圖4所示。因它采用的是如圖所示可調式刀片，且可調式刀片搭配5個支撐導條，當刀片一開始切削時即受到導條支撐，抵消了刀具和主軸因切削力而產生的變形和振動。同時，刀具在使用時無論是調試還是加工都有嚴格的要求。如整個刀具的調整，雖然刀具長度>340 mm，但刀具加工前必須調整到B處跳動≤3m，A處跳動≤3m。

5.合箱面加工應用案例

銑合箱面，合箱面的寬度是220 mm，此平面的加工要求是平面度0.05 mm，表面粗糙度值Ra≤1.6m，從工藝要求來看，銑面的難點是所銑平面的寬度，而我公司此工序加工所用的設備是立式加工中心，此設備對刀具直徑的要求是：最大刀具直徑87 mm，最大不相鄰刀具直徑150 mm，且加工面不準有接刀痕。

為了解決此問題，經過多次研究、討論，對新設計的刀具進行多次現場試切、返修，最后確定了刀具設計方案，如圖5所示，此刀具的組成是刀體、兩個機夾式鏜刀頭、兩片刀片，兩片刀片的材質不同，其中一片是硬質合金（見圖中A刀片），另一片是鑲嵌PCD刀片（見圖中B刀片）。刀具制作簡單且大小可以調節，根據加工要求，刀具在加工前需進行調試，具體要求為：先調整兩刀片的徑向距離直徑是280 mm，但兩片刀片距離刀具中心是不一樣的，如圖5L3=140.5 mm，L4=139.5 mm；然后調整兩片刀片的軸向距離，高度相差0.05 mm，如圖尺寸L2比尺寸L1大0.05 mm。刀具在開始加工時，對刀具進行定位，保證硬質合金刀片先接觸需加工表面，這樣就保證了硬質合金刀片始終先接觸需加工表面，即硬質合金刀片進行粗加工，鑲嵌PCD刀片進行精加工。由于此刀盤只有兩個切削刀片，對其轉速進行了適當降低：由用一般小刀盤時轉速5000 r/min，降到2000 r/min，轉速雖然降低了，但刀具加工時由原來使用小刀盤三次走刀，改為一次走刀，加工節拍反而比原來略有提高。

圖3

圖4

圖5

另外，刀具在設備上裝夾問題，由于所用設備是立式加工中心，最大不相鄰刀具尺寸 125 mm，直徑 275～286 mm的刀盤設備刀具庫中根本裝不下，若一臺加工中心只安裝這一把刀是不經濟的。為了保證此刀盤的正常使用，又不影響其他工步的加工，制作了一個庫外存刀工裝，然后把這個工裝裝夾固定在機床的工作臺上，單獨把這把大直徑刀具置于這個庫外存刀工裝上，而不是放在加工中心自帶的刀庫里。換刀的時候不是用加工中心自動換刀裝置來換刀，而是通過程序控制主軸定向、主軸定位，以及主軸夾爪松開、抓緊、提刀和移出等幾個步驟來實現這個抓刀過程。這樣既消除了接刀痕，又不超過設備要求。

6.結語

通過對刀具的合理選擇，及在刀具使用中進行嚴格的操作，保證了所加工缸頭的產品質量，滿足了客戶要求。