鉆頭鉆尖角對鋁合金材料加工清潔度影響分析

張觀福　謝安　高帥

摘 要：鋁合金材料具有重量輕、散熱性好等特點，在發動機缸蓋中應用尤為廣泛，但鋁合金材質較鑄鐵軟，在加工過程中容易產生毛刺，某公司在加工缸蓋通孔時，刀具出口產生大量的翻邊毛刺，嚴重影響了零件加工質量&清潔度，本文從設備、材料、加工方法、加工環境四個方面進行剖析，找出了產生毛刺的根源，并得出了相應解決方法，具有較高參考價值。

關鍵詞：鋁合金缸蓋；通孔；鉆；翻邊毛刺

1 缸蓋材料介紹

發動機缸蓋結構復雜，集油道、氣道和水道于一體，而且工作條件惡劣，與缸體、活塞構成燃燒室，承受高溫、高壓作用。近年來，發動機功率的提高使得缸蓋的工作溫度和工作壓力顯著增加，這就要求制造材料具有良好的室溫性能和高溫性能。使用A356鋁合金材料的缸蓋能很好的滿足以上要求。

A356合金是一個典型的Al-Si-Mg系三元合金，具有優秀綜合性能的鑄造鋁合金。它不僅具有很好的鑄造性能（流動性好、線收縮小、無熱裂傾向），可鑄造薄壁和形狀復雜的鑄件，而且通過熱處理可達到較高的強度、良好的塑性和高沖擊韌性的理想綜合。同樣由于該材料特性，造成了零件后續加工與其它類型加工不一樣的問題。

2 問題現狀

正常生產加工中，自然吸氣缸蓋各面鉆孔后，通孔底部不產生毛刺。當換型加工增壓缸蓋，鉆孔后，通孔底部有較大的翻邊毛刺（如圖1），且后工序清洗機無法去除，不僅影響后續裝配及發動機清潔度，而且造成返修浪費。

3 現狀分析與驗證

由于缸蓋的功能性問題，出現翻邊毛刺的增壓缸蓋材料與自然吸氣缸蓋材料不一樣，通過分析對比兩種材料的特性發現，增壓缸蓋材料硬度稍低（較“軟”），其延展性能更好，導致機加工過程中鋁合金材料向邊緣延展翻邊，現用刀具無法去除。以下通過加工設備、材料、加工參數、加工刀具、加工溫度等方面進行分析。

3.1 加工設備分析

零件加工所用的設備都以加工中心+成型刀具自動加工完成。如加工中出現瞬時進給、轉速等不穩定問題，會造成刀具刃口切削厚度不一致，甚至導致刀具瞬時切削力過大造成斷刀。由于兩種材料缸蓋使用的刀具和鉆孔工藝&刀具一致，設備均為高精度加工中心，對各軸加工的移動有嚴謹密伺服檢測系統進行實時檢測監查，如有誤差會準確報警信息反饋，查找機床各加工狀態正常無報警。且對比不同機床的鉆孔加工幾乎都出現該通孔底部翻邊毛刺問題。

3.2 零件材料分析

由于增壓缸蓋為了適應產品設計的要求，選用與正常生產缸蓋鑄造材料成分有差異，具體表現為硬度較自然吸氣缸蓋低，延展性較好，實際加工會出現相同刀具&參數下增壓的零件表面比較多的毛刺。在材料成分滿足要求的前提下通過熱處理提高硬度（在要求范圍內）驗證，同樣出現孔底邊緣翻邊毛刺，雖然零件鑄造成分直接影響毛刺的產生，由于工藝特性要求，不能對其進行更改，所以材料分析不能解決通孔底部翻邊毛刺問題。

3.3 加工參數分析

相同刀具，使用不同加工參數進行驗證。理論上對于偏軟的材料加工使用更慢的進給與較高的轉速加工能改善加工毛刺效果。

分析毛刺形式，在通孔出口邊緣為較厚毛刺，提高鉆頭轉速及減小進給（降低每刃每轉進給），減小切屑厚度（易去除毛刺），從而降低毛刺產生頻次。通過上面的參數驗證符合該規律。

通過多組不同參數驗證，毛刺比之前有所減少、變小，但未能根本消除。通過單純參數優化不能解決通孔底部翻邊毛刺問題。

3.4 加工刀具分析

生產中使用的鉆頭刀具大部分都是標準刀具。但在對比分析發現在加工增壓缸蓋的鉆頭當中有兩種不一樣的鉆頭結構刀具，如圖2：

對比發現，鉆尖角度雖都為120°，但結構不同，第1種正常使用鉆頭尖端部分大（下文稱為V型鉆尖），第2種刀具鉆頭尖端部分小并含有部分平鉆切削刃（下文稱為E型鉆尖）。

V型鉆尖鉆頭：在孔即將鉆通時，首先將待加工表面頂破，由于材質軟，鋁屑向四周延展裂開，因切削刃具有傾斜角度120°，使刀具不能有效切削，并在鉆穿的過程中將材料擠向孔邊緣產生毛刺。

E型鉆尖鉆頭：在孔即將鉆通時，平鉆切削刃部分（遠端）可以有效的切削，不會把鉆尖擠破的材料擠孔邊緣，而是通過兩側平切削刃把材料切除，能很好的消除翻邊毛刺問題。檢查增壓缸蓋上使用該類型刀具加工的孔，通孔底部邊緣均無毛刺。

借鑒該方案對其余類似問題鉆孔刀具進行結構優化，加工驗證效果明顯，優化后的通孔加工翻邊毛刺全部解決，如圖3。

根據以上經驗，優化加工通孔的鉆頭鉆尖類型結構（即：增加平切削刃，刃口無傾斜角度），可以有效提升通孔邊緣清潔度。

借鑒以上經驗教訓，優化有特殊加工要求的標準V型鉆尖刃尖角，經過大量驗證得出V型鉆頭尖角為140°時其加工孔清潔度較優，鉆頭切削受力分析如圖4：

鉆尖在切削過程中，切削力F可分解為水平方向切削力F1、豎直方向切削力F2，其水平方向切屑力F1將鋁屑擠壓至邊緣，而F1=Fcosα，余弦函數隨著角度增大而減小，篩選幾組鉆尖角度進行驗證（α>120°），關注鉆孔表面質量及邊緣清潔度，詳細數據統計如表1：

由驗證得知，鉆頭頂角在140°時為理想解決尺寸，而在150°時，由于鉆頭頂角變大，切削刃受到的力相對較大，對孔加工表面質量較為粗糙，如提高轉速與降低進給雖然能得到較好的加工表面質量，但由于加工節拍超差不能使用，最終選定140°頂角鉆頭做為加工方案。

3.5 加工溫度分析

若刀具加工過程中刃口處冷卻效果不優，則導致材料熔化并粘附在切削刃處，特別是鋁合金材料（其熔點較低）。鋁合金材料在溫度升高后其塑性增大，在高溫高壓作用下，切削刃口摩擦力變大，易粘刀，由于鋁合金較“軟”，所以容易產生積屑瘤，積屑瘤的殘痕粘附在鉆頭前刀面（螺旋槽）上，使切屑液流出受阻，導致切屑變形大，收縮系數也大，切屑斷面變厚。若積屑瘤粘附在刃口及后刀面，則導致刃口及后刀面剮蹭孔壁情況，導致孔壁質量變差，甚至有刀痕產生。

通過對刀具加工冷卻系統分析，零件加工過程中刀具有內冷孔，通過內冷孔噴射出高達30bar壓力進行沖洗、潤滑及冷卻，設備有高壓流量監控，不會造成加工溫度過高影響加工。

4 結束語

對于延展性好的鋁合金材料，通過刀具優化能較好的解決鉆孔清潔度差問題，同時優化后的刀具對正常生產的鋁合金缸蓋適用，同步提升其孔加工質量及清潔度。

參考文獻：

[1]余凌智，高強耐熱Al-Si-Cu-Mg合金的組織與性能研究，西安工業大學，2011.6.

[2]王祝堂，鋁合金及其加工手冊，中南工業大學，2000.

[3]魏國豐，加工鑄鋁合金時切屑用量對切削熱的影響，工具技術，2009.