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[发盖hood] 浅谈如何满足加工孔的粗糙度要求

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发表于 2016-3-31 19:56:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
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浅谈如何满足加工孔的粗糙度要求

浅谈如何满足加工孔的粗糙度要求

        发动机、变速器的机加工零件,其重要孔的加工不但要达到形位公差要求,而且其孔壁的粗糙度要求也要满足。因此,了解、分析加工孔粗糙度达不到要求的原因,采取有效措施满足加工孔的粗糙度要求等,也是现场技术支持人员应该重视和具备的能力。
        孔加工刀具,按照工艺可分粗加工刀具、半精加工刀具和精加工刀具。精加工刀具不但要满足孔径要求、形位公差要求,而且还必须达到图样的粗糙度Ra要求。常见孔的精加工刀具有铰刀、镗刀和珩磨头等。加工孔孔壁的粗糙度值,一方面直接由使用刀具的切削角度(主、副偏角,刀尖圆弧)和刀具的切削进给量决定;另一方面还受其他相关因素的影响,如材料的弹性变形、设备的振动、刀具的磨损、夹具的松动以及毛坯缺陷等,这些都有可能导致零件加工后的表面形成微小的峰谷、拉毛和划伤等缺陷。
        根据切削原理,刀具的切削角度和刀具的进给量决定粗糙度值的大小,我们可从车加工过程来了解。由图1可知,刀具的切削角度和切削参数(进给量f)的变化造成粗糙度值的变化,粗糙度值的大小对刀具的切削深度ap没有直接影响。刀具的主、副偏角使被切削层材料不能完全被切除,而在已加工表面上形成间距等于进给量f的螺旋状条纹(残留面积),残留面积高度Hmax愈大,粗糙度值也愈高。
        由此推理,当刀尖圆弧半径rε=0或者rε≠0时,其残留面积高度Hmax为:
       

浅谈如何满足加工孔的粗糙度要求

浅谈如何满足加工孔的粗糙度要求

        零件在切削过程中,孔壁的粗糙度达不到要求,如果仅仅是刀具车加工示意图(见图1)上所示的原因,解决起来并不困难。比较麻烦的是零星出现粗糙度值超差或前面加工一直能正常满足粗糙度值,后面突然出现粗糙度达不到技术要求的现象。这时候就需要我们去分析、解决,找出现象的真正原因。
        粗糙度值超差的失效模式及后果
        常见加工孔孔壁的粗糙度失效模式有以下三种:
        1.粗糙度值太低
        孔壁的表面粗糙度数值小,会提高配合质量、减少磨损及延长零件使用寿命。但加工孔孔壁的粗糙度有时候不一定是越低越好,太低有时候也满足不了功能要求。如缸盖的导管孔孔壁、缸体的缸孔孔壁和缸盖水闷盖的孔壁等,不但有粗糙度最大峰谷高度Rz要求,而且还有粗糙度最大谷值Rv要求,后者是为达到产品功能需求而设置的,即滞油和滞胶等作用。例如:气门导杆与导管的配合,气门导杆在工作状态进行上下运动时,导管孔孔壁的粗糙度值太高会造成气门导杆的拉毛,加快配合间隙的增大,而导管孔孔壁的粗糙度值太低,会影响导杆通过配气机构飞溅出来的机油润滑功能的保持,很少的机油在孔壁很难起到滞油的作用。又如,缸盖水闷盖孔孔壁的粗糙度值也不能太低,否则将影响到水闷盖在压装以后的密封性,即造成水闷盖与缸盖水闷盖孔壁的配合中密封胶滞留量减少,导致密封性能的降低。
        孔壁的粗糙度值太低还直接反映在配合的摩擦系数上面,在有一定量的过盈量配合中,会降低配合的摩擦系数,使其达不到产品设计的要求。
        2.粗糙度值太高
        加工孔孔壁的粗糙度值太高,其失效后果显而易见,影响配合时的过盈量和零件的耐磨性等。粗糙度值太高对间隙配合来说就更易磨损,使工作过程中的间隙逐渐增大;对过盈配合来说,减小了实际有效过盈,降低了连接强度;而对需要起到密封效果的孔壁配合,粗糙度值的上升增加了密封效果出现泄漏的风险,影响零件的最终密封性等。
        3.局部粗糙度没有达到要求(拉毛、划伤等)
        加工孔的孔壁粗糙度局部没有达到要求,将直接影响到装配、配合精度,增加密封过程中的泄漏风险等。如拉毛严重的孔壁与运动件的轴配合存在的潜在缺陷是:轴在运动过程中会渐渐恶化配合状况,直至孔壁最终“咬死”运动件。
       

浅谈如何满足加工孔的粗糙度要求

浅谈如何满足加工孔的粗糙度要求

        粗糙度值超差的失效原因
        实际生产中,加工孔孔壁粗糙度超差的失效原因颇多,刀具、设备、加工工艺、切削液和毛坯等都会是造成加工孔孔壁粗糙度不理想的失效原因之一。
        1.刀具原因
        加工孔的粗糙度不好,刀具是第一要考虑的原因。刀具的结构选择不合理,刀具使用寿命的设定不合理,刀具的切削角度存在设计上的缺陷,刀具的径向、轴向的刃口跳动偏大,以及切削刃尺寸不等高、刃口崩刃和刃口非正常磨损等,都是造成粗糙度满足不了的原因。刀具结构不一样,造成粗糙度不好的原因也不一样。如铰刀加工时的粗糙度不好,通常是如下原因:铰刀已用钝或已损坏,选用的铰刀不正确,中心线不重合或振动,铰孔余量过大或过小,铰盲孔时碰到底部,以及刀具切削速度过高、过热、有刀痕和擦伤等。而由于镗把刀具的原因造成粗糙度不好则又有其他原因。所以在查找刀具引起粗糙度不能满足的原因时,应该首先了解刀具的结构可能存在的缺陷导致粗糙度超差的影响因素,这样才能够查找到问题的真正原因。
        2.设备原因
        设备的主轴刚性、主轴振动加剧、丝杠的磨损、夹具夹紧力下降及夹具螺栓松动等都会引起加工孔孔壁的粗糙度值下降。
        3.加工工艺原因
        加工工艺的安排不合理往往也会影响到加工孔的孔壁粗糙度值。如切削参数之一的进给量设定不合理,造成加工孔的粗糙度达不到要求;前后影响的加工余量、加工顺序的颠倒等同样会影响到粗糙度不能够满足等。
        4.切削液原因
        切削液浓度下降、有杂质、压力不足以及没有对准刀具切削刃口等都会造成粗糙度不好。
        5.毛坯原因
        毛坯铸造过程中没有消除的硬质点,也是造成粗糙度达不到要求的一个原因,如刀具的锋利刃口在加工铝合金材料的初始阶段,加工孔壁出现细小缩孔;毛坯在不是加工孔径位置的多肉会干涉到镗把,造成轴向振动或径向推力的突发性增加,致使导条挤压已加工孔壁或划伤孔壁;毛坯的孔壁太薄,造成加工中孔壁的支撑力度不够而出现振纹等。
        6.叠加原因
        粗糙度满足不了加工的技术要求,有时候问题的出现往往没有主要原因,而是一个个的次要原因。只是这种次要原因叠加在一起的时候出现了加工粗糙度要求的不满足,一旦消除或降低了某一方面的不利因素,或许问题的表象就淡化了,也就满足了加工对象的技术要求。
        满足粗糙度要求的考虑方向
        实际生产中,要满足加工孔孔壁的粗糙度,或者要解决零星出现的粗糙度不合格现象,我们需要从多方面来考虑。
        1.刀具
        刀具的制造技术创新,给孔加工的粗糙度满足带来众多有力支持。但实际使用中,我们需要了解各种新型刀具的材料、结构和切削参数等,只有熟悉掌握了相关知识才能够最终满足和解决粗糙度问题。在实际解决粗糙度的过程中,我们不可忽视下面几个方面:
        (1)刀具主、副偏角和刀尖圆弧  从图1可知,刀具主、副偏角和刀尖圆弧及进给量对加工孔壁的粗糙度影响是重要的可见因素。
        (2)刀尖圆弧、背切刀量和进给量三者的合理匹配  合适的切削参数可预防花斑纹、积屑瘤、鳞刺及设备的共振等造成孔壁粗糙度变差的现象出现。如进给量f的设置就是一个注意点,设置不合理就会影响到孔壁的粗糙度,太大导致粗糙度变差,太低同样会导致粗糙度满足不了。在甲刀具加工中认为是合适的进给量,可能在乙刀具加工时不一定是合适的进给量了。同样的进给量,不一样的刀尖圆弧,其粗糙度值可能就是不一样的结果。
        主切削刃的切削厚度跟刀尖的圆弧相关,没有圆弧的刀尖假如f选择0.10mm/r这很正常,但对刀尖圆弧为R0.80mm时,ap值为0.05mm,则R圆弧刀具的进给量f选择0.10mm/r就不最合理。如图2所示,两把加工孔的刀具ap值都是0.05mm,但是刀具的刀尖rε是不一样的。由此可知,主切削刃的法向切削厚度: 当f=0.10mm/r,rε=0,主偏角为75°时,主切削刃的法向厚度为0.966f,即法向切削厚度为0.0966mm;而刀尖圆弧rε=0.80mm时,同样ap=0.05mm,f=0.10mm/r的条件下,主切削刃的法向厚度只有0.259f,即法向切削厚度为0.0259mm。
        同样的进给量,在ap相同时,刀尖圆弧的差异性导致主切削刃的法向切削厚度不一样,孔的精加工刀具当法向厚度小于0.04mm时,往往会造成切削刃不容易切入过渡加工面;圆弧刀刃切削到的厚度很小,还会造成不均衡切屑厚度出现,这时刃口的附着力达不到均衡切削的条件,致使切削过程中出现刀杆颤动的现象,从而加工面出现花斑纹表面。
        当碰到刀尖圆弧时,需根据ap值的大小来计算主切削刃的法向厚度是否足够。在主切削刃上的最大法向厚度达到正常的切削厚度(如铝合金材料的精加工一般取0.05mm以上)应该可以满足正常精切削加工。当ap值达到0.20mm以上时,一般小圆弧刀尖的法向厚度就足够圆弧刀刃切入过渡加工面了,所以有时候刀具的圆弧设定与精加工的ap一定要匹配起来。即当进给量小的时候,刀尖圆弧尽量选择小一点,保证切削加工过程中刀具刃口能够正常切入过渡表面。
        一般ap的最小值选择刀尖圆弧半径的1/3比较合理。
        (3)刀具刃口形状  满足孔壁的粗糙度要求,一种方法可以通过调整刀具的切削参数和提高刀具刃口的粗糙度,有时候另外一种方法则需要降低刃口的平直度来满足图纸要求。如精加工某零件的锥孔,锥孔孔壁粗糙度有Rz值和Rv值要求,这时使用正常的铰刀刀具刃口和切削参数很难达到图纸要求,加工的锥孔粗糙度值往往比较低,这个问题最后通过改变切削刃的刃口来达到要求。有时候当粗糙度达不到最低要求时,不但可以通过调整进给量及主、副偏角的大小来尝试满足图纸要求,而且还可以通过改变刃口的粗糙度来实现。
        (4)刀具的容屑槽  采用镗杆形式的刀具,在加工中容屑槽长度是不容忽视的关键点。容屑槽的长度直接影响到切屑是否能够正常排出。使用理想的镗把刀具,在镗杆的直径接近加工孔径时,对后排屑结构来说,容屑槽的长度更需考虑,即容屑槽的长度必须大于孔壁深度,从而保证切屑的顺畅排出。有些前排屑的容屑槽长度在不影响刀具刚性的前提下最好也要超过加工孔深度,避免前排屑不畅导致切屑划伤已加工孔壁。
        (5)镗把刀具的导条与刀尖的OVERHANG(径向落差)和ADVANCE(轴向落差)  目前,汽车零部件的孔加工,越来越多的选择带导条的镗把。但是假如不熟悉镗把的一些细节调整特性,在加工过程中,就会出现由镗把原因造成导条对孔壁的拉毛、挤压和刮伤等缺陷。刀片材料与导条的匹配也是一个考虑因素,PCD刀片与PCD导条,在加工铝合金选择5~6mm,加工铸铁一般选择8~10mm。而硬质合金刀片与硬质合金导条的配合则又是另外一种配合尺寸,即选择更大一点的OVERHANG,一般可选择8~12mm。合适的OVERHANG使镗把在加工过程中易建立油膜,达到既让导条起到支撑的作用,又不让导条碰到已加工面。
        ADVANCE一般选择1.5f值(单刃口),这样既达到镗把导条在轴向的及时跟进,又避免过渡加工面弹性变形后碰到导条顶部。合适的ADVANCE可消除刀具导条轴向干涉使加工孔壁的粗糙度满足要求。
        (6)合适的刀具材料  孔壁粗糙度的满足,刀具刃口的锋利性和耐磨性也是考虑元素。目前汽车制造业切削加工的刀具材料越来越趋向满足更锋利、更耐磨的特性,PCD、CBN和硬质合金涂层刀具等已经广泛应用,这种刀具材料不但锋利性、耐磨性一流,而且可以实施高的线速度达到高效率的目的。新型刀具材料更能满足加工孔的粗糙度要求,所以有时候当出现满足不了加工孔粗糙度要求时,在设备主轴转速允许提高的前提下,不妨选择一些高硬度、高耐磨的刀具材料来加工孔壁。
        2.设备
        设备是加工孔粗糙度满足需求的关键点之一,高转速、高刚性和高精度及让其处于最佳状态是当前普遍使用的设备特点,故维修工平常做好日常的TPM和PM工作,如定期测试主轴振动、及时发现轴承磨损的趋势等都是保证加工孔粗糙度满足要求的基础工作。
        3.工艺
        加工工艺的合理性也是保障加工孔粗糙度满足的条件之一。
        (1)重要孔的工艺安排  分层次加工:粗加工→半精加工→精加工。同时,这也是发动机、变速器零件重要孔的加工工艺编排。假如加工孔是毛坯预铸孔,而孔的最终圆度、直线度等形位公差要求都比较高时,这样的安排更显得尤为需要。
        (2)防止或减小工艺系统振动  机加工中有时候选择的切削参数与设备产生共振现象,主轴的振动直接造成加工孔孔壁的粗糙度值上升,所以可以通过振动测试,重新设置切削参数达到减少共振出现的次数。
        (3)加工程序的灵活性  通常一个孔的加工程序是从头至尾一次进给完成,但是有时候碰到特殊工况就应该灵活实施程序的加工步骤。如在实际生产中碰到加工变速器阀体的阀孔时,阀孔的一档一档孔壁出现零星拉毛的现象,其主要原因是阀孔的钻头加工过程中易出现环状切屑留在阀孔的空档处,当接下来的铰刀加工中,环状切屑绞股在铰刀上面而把最终加工孔壁拉毛。面对这种缺陷,可以通过调整钻头的加工程序解决,由起点到终端的一次连续加工调整为在容易出现拉毛的环状切屑出现的位置,刀具实施退回一定距离停顿1s时间,让钻头刀具的内切削液冲洗阀孔空档处的环状切屑,将环状切屑冲出阀孔的空档位置,从而保障铰刀在接下来的加工中不再因为环状切屑的存在而拉毛阀孔孔壁。
        4.毛坯
        毛坯影响到孔加工的粗糙度,这是不可忽视的。铸造当中的批次差异性,杂质、硬点和毛坯的多肉等缺陷直接会影响到加工孔的粗糙度。如因毛坯的“多肉”而干涉到加工镗把,造成孔壁加工中出现拉毛、挤压等缺陷出现,挺柱孔的轴承档附近“多肉”就是比较常见的毛坯缺陷。
        5. 切削液
        切削液的润滑作用是加工过程中必须的,而切削液的浓度对一些特殊导向条镗把刀具影响则更大,因为浓度太低会造成加工过程中刀具的导条处建立不起油膜,造成导条直接挤压到已加工孔壁而使粗糙度变差,所以有些带导条的镗把刀具其切削液浓度一般要达到9%~12%。同样,切削液的清洁度标准,也是减少或消除切削液中的颗粒拉毛加工孔孔壁的保障条件。
        6.孔壁粗糙度值的实际选择
        孔壁粗糙度的实际选择是指在已满足的情况下,怎样选择加工孔的孔壁粗糙度值。满足粗糙度要求如同满足孔径加工尺寸一样,即达到孔径公差允许范围即可,不一定要追求人为的理想中间尺寸。选用容易达到的表面粗糙度值刀具,直接降低机加工的制造成本。不需要低的粗糙度表面我们可以选择比较低的制造成本,而要求高一点的低粗糙度值表面则没有办法减少其有效的制造过程。当粗糙度值在Cpk不一定理想的情况下,只要Cp好我们就可以继续生产加工。如铰刀加工孔壁的要求为Ra1.6mm,而实际加工的表面每一次都在Ra1.4mm~Ra1.5mm左右,这种加工状况不需要重新替换新的加工孔刀具,因该铰刀刀具完全能够满足加工的要求。
        结语
        加工孔的孔壁粗糙度值要求是满足零件功能的技术要求之一,实际加工中要满足加工要求也不是一件易事,特别是不被控制的要素出现时,造成零星的出现或突然出现粗糙度达不到要求的现象。这时我们可通过了解加工工件反映的表象,分析现行过程的控制,找到失效的原因,采取有效的控制措施,消除不利因素,满足孔壁粗糙度要求。
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