缸蓋回油孔高效斷屑刀具的設計及運用

王鳴，薛飛，王其龍，王冬，王康輝，戈光福，沈鈺承

上汽大眾汽車有限公司 上海 201800

1 序言

發動機缸蓋腔體內布滿了進排氣道、氣門導管、挺桿和主油道等多種腔體和孔系結構。如何避免加工時切屑卡在缸蓋腔體縫隙內，對提升產品質量有重要意義。

2 加工存在的問題

缸蓋底部有3個回油孔，其作用是將缸蓋中的低壓潤滑油與缸體油腔連通。加工工藝是先采用整體硬質合金麻花鉆預鉆，然后使用焊接有聚晶金剛石的兩刃鏜刀進行精加工（見圖1）。

圖1 鉆、鏜加工示意

預鉆后工件尺寸是φ15.5+0.2+0mm，鏜削后工件尺寸是φ（16±0.2）mm（見圖2），該工藝存在以下問題。

圖2 鉆、鏜工序尺寸

1）回油孔底部與油腔相交處形成破孔。鉆頭兩切削刃受力不平衡，同時鉆尖失去定心作用，易造成扎刀，使刀具折斷。

2）由于麻花鉆螺旋形排屑槽和主切削刃上不同直徑處線速度不同的影響，會產生螺旋狀的切屑[1]。該切屑有一定的彈性，容易卡在回油孔和油腔體的縫隙中（見圖3）。發動機運行過程中，切屑可能被循環的潤滑油沖洗脫落并堵住油道，造成發動機無法潤滑，甚至運動副咬死。

圖3 卡在缸蓋腔體中的切屑和刀具對比

3）原工藝需要2把刀具粗加工、精加工才能完成，而加工中心刀庫1次換刀需要3s[2]，2次換刀生產節拍較長。

3 解決措施

通常解決油腔縫隙中易卡屑及破孔處刀具徑向受力不平衡、易折斷的問題有如下措施。

1）針對易卡屑的技術問題，可減少刀具轉速，增大進給速度，加劇切屑的彎曲應變程度，來促使切屑折斷。但該方法會加劇破孔處刀具徑向的受力不平衡，增加刀具折斷的風險。

2）采用清洗機高壓清洗液噴頭對準卡屑的缸蓋腔體縫隙定點進行沖洗。但切屑經過冷作硬化后，強度較高，卡入縫隙后，切屑像卡簧一樣撐在縫隙內，高壓沖洗的壓力不足以將切屑沖走。

3）采用啄鉆的加工策略，即每加工一小段距離后短暫退刀。切削刃與加工表面短暫脫離，達到斷屑效果。但該方案生產效率較低，且被擠壓成團的短切屑還會卡在縫隙中，改善效果并不明顯。

4 刀具創新

針對上述問題，設計了一種加工缸蓋回油孔的高效斷屑刀具，其創新點如下。

1）設計一側切削刃過中心的兩刃平頭鉆，直接加工回油孔，代替原有先鉆后鏜的加工方案，即用1把刀具代替原有2把刀具，減少了1次換刀時間（見圖4）。

圖4 高效斷屑刀具加工示意

2）將原有鏜刀對稱、沿刀具軸向橫截面相等的排屑槽結構優化為不對稱結構，且較短切削刃一側的排屑槽截面相等，較長切削刃一側的排屑槽截面逐漸減小。刀具在加工過程中相當于1根懸臂梁。刀具的變截面梯度設計，既能保證刀具的剛性，又能保證當刀具加工孔深逐漸增加時良好的排屑性能（見圖5、圖6）。

圖5 原刀具

圖6 優化后刀具

3）在鏜刀圓角處增加不對稱的分屑槽，達到減小切屑的目的。受缸蓋回油孔孔底臺階圓弧過渡的產品結構限制，刀尖圓弧較大。在切削過程中刀尖圓弧處的切屑薄、寬度大，切削擠壓變形嚴重，排屑方向不規律容易引起排屑不暢[3]。通過不對稱的分屑槽使得寬切屑變為窄切屑，更容易排屑。

4）利用激光在刀片前刀面，距離刃口0.3mm處燒蝕出斷屑槽。斷屑槽的長度分別與切削刃長度相適應（見圖7）。斷屑槽加劇切屑變形，使得切屑更容易折斷。

圖7 斷屑槽示意

5）由于原工藝先鉆后鏜，鏜刀的加工余量小，排屑要求并不高。考慮到新工藝平頭鉆排屑壓力較大，可適當加長排屑槽的長度，同時將原金剛石鏜刀的轉速由10000r/min改為15000r/min，由恒定進給速度2500mm/min改為孔口定心段900mm/min，之后加速至2000mm/min。

5 結束語

該刀具優化后，切屑細碎，缸蓋腔體縫隙殘留切屑的現象大大減少。由于減少了原工藝預鉆的硬質合金鉆頭，因此單機生產節拍降低5s，刀具成本每年可下降30萬元。