WMEM|发动机深孔加工技术

深孔加工向来是金属切削加工难点，采用传统工艺会造成枪钻崩刃、折断等问题。通过改进枪钻结构形式——可转位刀片+带导条式高强度刀杆，采用带断屑槽刀片，使得排屑更顺畅，彻底解决折断及崩刃类异常，提升加工质量。

近年，我国东部某厂自主研发了一款油耗低、动力强、可靠性高的重型柴油机，深得用户青睐，其气缸体上有诸多用于冷却水道或润滑油道的深孔需要加工，其中底面φ26mm×275mm就是其中之一。为提升设备利用率，减少投资成本，在设计方案时放弃了传统的专用机床方案，而采用德国进口GROB（格劳博）高速加工中心加工，但经常会出现可修磨枪钻寿命低、断刀率高等问题。

1. 加工条件

加工设备：德国GROB G700加工中心

枪钻：单刃焊接枪钻φ26mm×546mm

刀柄：GUHRING HSK100-A侧固锁紧

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

内冷流量压力：75L/min，4MPa

切削参数：底面油孔，孔直径26mm，孔深275mm，转速1041r/min，线速度85m/min，进给量240mm/min，每齿进给量0.23mm

工艺要求如图1所示。

图1  底面深油孔加工工艺要求

2. 实际使用中存在的问题

该生产线投入使用后，为保证此类深孔加工质量稳定性，枪钻刀具为德国生产。但在实际使用中经常出现崩刃和断刀（见图2）等问题，造成刀具损耗和零件报废。

图2 枪钻断刀

统计该工序近半年时间内刀具使用情况得知：累计使用该枪钻230次，其中断刀15次，断刀率达到6.4%，刀具异常损耗达数万元。此外，为了减少发动机自重，缸体采用精密薄壁铸造工艺，实测该深油孔加工完后其厚度不足5mm，故在断刀发生后，由于铁屑和硬质合金刀头挤压，很容易造成孔壁破坏，从而造成整个气缸体报废，近半年造成工废6件。

3. 原因分析

通过组织技术人员分析排查刀具寿命情况和异常断刀状态，同时通过机床自带的主轴监控系统，分析其加工过程情况，进一步分析排查该深油孔加工断刀原因，主要为：

（1）枪钻刃口磨损严重。通过对换下的枪钻进行观察，发现枪钻主切削刃、侧刃和后刀面磨损情况比较严重，轴向磨损量超过2mm，增大了枪钻钻削过程中的切削阻力，增加断刀风险。

枪钻刀头磨损严重，与枪钻没有涂层有很大关系，缺少涂层对刀头硬质合金基体隔热和润滑保护，其磨损会急剧加快。而枪钻由于刀头和枪身需要焊接，加之两种材料高温变形量不同，决定了其无法在精磨后实施涂层工艺。

（2）排屑不畅。在对机床设备监控系统数据进行分析排查时发现，按照刀具布置图要求机床内冷流量/压力：75L/min、4MPa，但近半年出现多达20次以上的内冷高压报警，伴随该报警信息之后就会出现主轴负载报警以及断刀的发生。

之后，进一步对机床主轴负载曲线分析，并比较正常加工和断刀件的负载监控曲线后发现（见图3），正常加工的工作主轴负载新刀的上下波动范围35-55%，整个加工过程是一个线性均匀变化曲线，前后两个工件间的波动幅度小于5%；而断刀件负载监控图形，则会在内冷堵塞的时候不断升高，一般达到70%时，枪钻刀头焊接部位会扭断，该过程中其负载上下波动范围在45-70%，幅度达到25%；断刀工件孔内的大量铁屑也证实，排屑不畅，存在铁屑堵塞现象是该枪钻断刀的主要原因之一。

（a）正常加工                                                      （b）断刀时

图3 主轴负载监控图形

4.优化改进方案

针对上述排查，刃口没有涂层保护、加工过程中存在堵屑问题是两个主要原因，确定后续改进优化方向和措施：

（1）提升排屑性能。通过增大内冷压力或流量方式，提升排屑性能。

（2）增加刀具耐磨性。在刀具材质不能改善的情况下，实施涂层工艺。

（3）加强刀杆强度。采用强度等级更高的刀杆，提高枪钻刚性，防止加工时刀杆断裂。

（4）改善断屑效果。优化切削刃口形式，改变铁屑形状，使其更利于排屑。

其中提升排屑性能方案，若提升内冷压力至6MPa，需要更换螺杆泵，成本较高，故考虑通过改善刀具结构来提升排屑效果。

在和德国技术专家讨论后，结合其实际应用案例，决定采用可转位刀片+带导条机夹式刀杆的刀具方案来进行刀具优化，具体结构如图4所示。

图4  1、4、7-螺钉 2、5、8-转位刀片  3-导条  6-刀杆

5.刀具试验过程

在试验刀具完成到位后，立即组织刀具试验，在第一次按照原参数和寿命试验，正常达到原强制换刀寿命后，为进一步挖掘刀具潜力，尝试开展极限寿命试验，从试验结果来看，刀具寿命有一定程度提升。

新转位刀具特点如下：

（1）刀杆采用高强度合金钢代替普通钢管精制而成，强度提升50%，刀杆成为可反复使用的耐用品。

（2）采用两段30mm磨制高精度硬质合金导条，保持加工过程中刀具支撑和平衡，利用导条自导向后续加工，保证深孔具有较好的孔径和直线度。

（3）采用3片带有复合TiAlN涂层、断屑槽可转位刀片组成主切削刃，耐磨性更好，错齿式布置，将26mm内铁屑分为6段，相比原枪钻的4段，铁屑更短，加之刀片前有压制断屑槽，更有利于排屑。

具体刀具及切削部位如图5所示。

图5 优化后转位刀具及切削部位

6.持续改进

在试验取得初步成功后，继续对刀片存在微崩的异常情况进行分析、排查发现，该深孔在中间部位有一个φ10mm相贯孔和底部贯穿孔，加工至该部位时存在破孔和单边切削冲击，通过对NC程序优化，采取分段式进给。通过对使用后刀片观察发现，刀片失效形式正常。

结语

新可转位刀片式枪钻，经过半年时间合计201次的换刀验证，平均可加工孔数达到118，未出现过断刀，杜绝了因断刀问题造成的工件报废。同时，可转位刀片装调方便快捷，省去修磨环节；加工节拍也由之前的69.5s降至59.5s，单台刀具消耗成本节省约1.05元，提效降本明显。

后续将进一步推广应用可转位刀片式枪钻成果。

（来源：《世界制造技术与装备市场（WMEM）》2017年第2期）