鋁合金輪轂螺栓孔成形階梯鉆設(shè)計及切削試驗

王斌，黃海，馬哲斌

上海工具廠有限公司 上海 200093

1 序言

近年來，汽車行業(yè)的發(fā)展越來越迅猛，作為汽車部件之一的輪轂，其形式也日新月異。一般輪轂材料選用黑色金屬，隨著技術(shù)的進(jìn)步，鋁合金以其較高的比強(qiáng)度和比剛度成為汽車輕量化的首選材料。目前鋁合金輪轂鑄造工藝之一為低壓鑄造，需遵循順序凝固原則，即重要部位先凝固，冒口部位后凝固，保證重要部位不產(chǎn)生缺陷，性能能夠滿足要求。此工藝使其重要部分的內(nèi)部組織較為致密，機(jī)械性能較好。本文所述螺栓孔處在輪轂的重要部位，其金屬切削加工難度高于其他部分。

輪轂螺栓孔的形式分為錐形和碗形。在車輛行駛過程中，輪轂承受著汽車的重力及行駛過程中的滾動阻力，相應(yīng)的車輪螺栓及車輪螺母也承受這些力。這些力構(gòu)成了螺栓及螺母的交變循環(huán)應(yīng)力。精確的螺栓孔尺寸能夠使輪轂與輪轂螺母成為線接觸，提高其與輪轂螺母對摩擦力的承受能力，從而保證車輛行駛中的安全[1]。本文涉及的螺栓孔形式為錐形，其剖面如圖1所示。

圖1 錐形螺栓孔剖面

2 成形階梯鉆設(shè)計

2.1 刀具的形式

根據(jù)鋁合金的材料加工特性，加工輪轂螺栓孔刀具的切削刃材料將選用硬質(zhì)合金。此次輪轂螺栓孔為錐形孔，刀具最大有效外徑Dmax=36mm，最小有效外徑Dmin=15mm，刀具規(guī)格為D15mm×D31.5mm×165mm×D36mm。考慮加工成本等因素，刀具采用焊接形式，刀具柄部材料選用40Cr。焊接形式的刀具能滿足鋁合金輪轂螺栓孔的刀具性能要求及加工成本要求。本文中設(shè)計的鋁合金輪轂螺栓孔成形階梯鉆具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 刀具結(jié)構(gòu)

2.2 刀具切削刃材料的選擇

由圖2可知，此類成形刀具在加工過程中，因各切削刃切削能力及所受力方向不一致，加工時刀具易產(chǎn)生振動，加工表面產(chǎn)生振紋，甚至使刀具崩刃。故本次設(shè)計的刀具，其刃部采用細(xì)晶粒硬質(zhì)合金，與傳統(tǒng)硬質(zhì)合金相比，可以將刃尖厚度縮小46%，刃口鋒利度大幅提高[2]。對WC粒度分布進(jìn)行特殊控制。相比傳統(tǒng)材料，既可維持硬度，又能保證韌性，在耐蝕性和抗崩性方面有所提高。切削刃材料成分及物理性能見表1。

表1 切削刃材料成分及物理性能

2.3 刀具的芯部形式

鋁合金材料加工時的排屑是否順暢決定了刀具的使用壽命。當(dāng)排屑受阻時，切削刃處的加工溫度升高，鋁合金與刀具切削刃粘連，導(dǎo)致加工表面粗糙度差、刀具磨損加劇。芯厚是鉆頭剛性的決定性因素，芯厚越大，刀具加工時越穩(wěn)定。刀具排屑空間與其剛性互相制約。

從鋁合金輪轂螺栓孔成形階梯鉆結(jié)構(gòu)可知，刀具各外徑落差較大，采用芯厚增量來兼顧刀具的剛性及排屑性能。圖3為刀具距端刃5mm處的芯部截面。

圖3 刀具距端刃5mm處的芯部截面

距端刃5mm處芯部厚度計算公式為

2.4 刀具分屑槽的設(shè)計

刀具端刃處增加分屑槽的設(shè)計能夠順暢排出切屑，使原本寬厚的切屑因切削刃的斷開而變窄，從而更容易從槽內(nèi)排出。分屑槽的設(shè)計深度與進(jìn)給量有關(guān)，單轉(zhuǎn)進(jìn)給量加大，分屑槽相應(yīng)加深。分屑槽對應(yīng)鉆尖錯齒分布。分屑槽d深=0.6mm、d寬=0.5mm、距鉆尖距離d左=5.5mm、d右=4.4mm。刀具端刃處帶分屑槽設(shè)計如圖4所示。

圖4 刀具端刃處帶分屑槽設(shè)計

2.5 刀具內(nèi)冷卻通道

鉆頭加工時，切削熱集中在刃口前刀面與切屑的接觸部分，溫度可高于900℃[3]。內(nèi)部冷卻工藝的設(shè)計能夠更好地讓切削液直接到達(dá)其溫度最高的接觸部分，有效防止切屑與刀具刃口粘連。鋁合金輪轂螺栓孔成形階梯鉆內(nèi)冷出水口，設(shè)計在階梯180°第二后刀面處。這個位置因需保證其加工表面粗糙度，無法開分屑槽，導(dǎo)致切屑形狀較寬大。180°處切削刃為成形階梯結(jié)構(gòu)，其切削能力相對于鉆尖處較弱，切削液的壓力能夠更好地幫助其斷屑及排屑。刀具內(nèi)冷卻粗加工圖樣如圖5所示。

圖5 刀具內(nèi)冷卻粗加工圖樣

3 切削性能

本次試驗鋁合金輪轂螺栓孔成形階梯鉆規(guī)格為D15mm×D31.5mm×165mm×D36mm。通過對被加工零件表面粗糙度及刀具壽命等因素進(jìn)行分析研究，來驗證鋁合金輪轂螺栓孔成形階梯鉆設(shè)計的可靠性。

3.1 被加工材料

此次切削試驗中，被加工材料為A356[4]。A356鋁合金制造的車輪，原本熱處理后輪輻抗拉強(qiáng)度≤270MPa、伸長率≤5%，但隨著對輪轂品質(zhì)、性能需求的不斷提升，對 A356鋁合金強(qiáng)度與伸長率的要求也越來越高。相對于其他鋁合金來說，在加工時更容易產(chǎn)生纏屑的情況。

鋁合金輪轂螺栓孔成形階梯鉆的鉆削力主要取決于被加工材料，每刃進(jìn)給量的材料單位切削力[5]公式為

其中，kr＝90°，kc0.4為進(jìn)給量fz＝0.4mm/z時加工鋁合金的單位鉆削值。在保證排屑良好的情況下，試驗選取fz＝0.07mm/z，kc0.07＝820～1300N/mm2。

3.2 試驗工況

鋁合金輪轂螺栓孔成形階梯鉆試驗機(jī)床為寶雞立式加工中心，夾具為BT40強(qiáng)力刀柄，采用內(nèi)冷方式。切削參數(shù)為轉(zhuǎn)速n=2200r/min，進(jìn)給速度300mm/min。

3.3 失效形式

根據(jù)用戶對被加工件的要求，此次設(shè)計的鋁合金輪轂螺栓孔成形階梯鉆的失效形式主要表現(xiàn)為輪轂螺栓孔加工表面缺陷，具體如下。

1）刀具切削刃處產(chǎn)生積屑瘤或者崩刃導(dǎo)致加工表面出現(xiàn)劃痕，如圖6a所示。若情況輕微，可進(jìn)行刀具修磨處理。

2）加工表面出現(xiàn)振紋，這是鋁合金輪轂螺栓孔成形階梯鉆主要失效形式之一，如圖6b所示。刀具產(chǎn)生軸向竄動導(dǎo)致切削刃處磨損，使刀具切削能力減弱，切削力變大。

3）加工表面出現(xiàn)白點，俗稱 “白花”，如圖6c所示。由于微小切屑未能及時排出，堆積在刀具切削刃上，加工時產(chǎn)生擠壓變形。情況輕微時可以微調(diào)加工參數(shù)，避免刀具積屑現(xiàn)象。

圖6 刀具失效導(dǎo)致的輪轂螺栓孔加工表面問題

刀具在切削加工時，出現(xiàn)上述三種情況，則此刀具應(yīng)停止使用，判斷刀具為失效。

3.4 試驗結(jié)果

被加工零件經(jīng)檢測滿足以下要求。

1）經(jīng)三坐標(biāo)測量儀檢測，試驗刀具所加工輪轂螺栓孔尺寸符合所要求的輪廓精度。

2）所加工的輪廓表面粗糙度值Ra在1.25μm以下，基本看不清加工痕跡。

3）最終試驗刀具加工壽命達(dá)到6500個零件，達(dá)到預(yù)期要求。輪轂螺栓孔表面如圖7所示。

圖7 輪轂螺栓孔表面

4 結(jié)束語

通過切削試驗結(jié)果可知，刀具選用細(xì)顆粒硬質(zhì)合金材料，保證其刃口鋒利程度；增加階梯處內(nèi)冷及斷屑槽設(shè)計，提高排屑能力，避免刀具纏屑；增加刀具剛性設(shè)計，減少刀具加工時竄動，可提高加工表面質(zhì)量。本文設(shè)計的鋁合金輪轂螺栓孔成形鉆，能夠保證螺栓孔的加工精度、加工效率及加工壽命，滿足切削要求，是適用于鋁合金輪轂螺栓孔加工的理想刀具。