汽车零件干式钻削的研究

　　在铝合金材料上钻孔，可采用干式钻削。可是在汽车生产中用干式钻削加工孔，其效率和成本真的比用冷却液加工更经济吗?

　　针对这个问题，Daimler Chrysler、Ford Motor、General Motors三家大汽车公司联合了一些供应商(如机床供应商Gidding或Lewis、刀具供应商Kennametal等)成立了一个工作组，以寻求答案。他们的工作焦点就是开发在汽车发动机A-319铝合金壳体上，在不用冷却液的情况下，用高速钢钻头钻出高质量孔的方法。工作组规定了干式钻孔可行性的经济指标为：用一直径为6mm的高速钢钻头在这种铸造铝合金材料上钻孔，采用3000r/min的转速和每分钟至少381mm的进给量时，应至少钻10000个20mm深的盲孔。钻削时，要求不用增压的冷却液浇注切屑、润滑刀具和散发热量。这项工作包含了分析、建模、刀具、材料和刀具涂层等方面的问题。

　　其中分析又被细分为三个问题：即建立变形的数学模型、干式加工与湿式加工的成本对比及对人体健康与安全的影响。

　　由于干式加工比湿式加工会导致工件、刀具温度升高，这些热量会影响到钻头直径和冷却后孔的位置。数学模型能够描述这些影响，还能对如何使孔的质量最佳化提供指导。为了帮助工作组实现这个目标，密执安大学开发了用于评价所选实验过程的模型。

　　所加工孔的质量根据直径、圆柱度和位置精度进行评价。在测量这些参数时，发现位置误差对钻孔的顺序很敏感。而零件变形在很大程度上受到夹紧点的位置以及刀具、切屑之间的摩擦的影响。

　　通过分析可准确地知道，干式钻削将产生有扩大量的、喇叭口形的孔，钻头的热特性对孔径和孔形的影响很明显。而工件材料、切削速度和进给量对孔径和圆柱度的影响是次要的。

　　对汽缸盖零件进行建模以便计算由于干式钻削产生的热量所引起的孔的位置误差。此外，要确定传入工件的热量，需要测量钻削力和扭矩。

　　通常跟踪8个12mm和16个6.4mm直径孔的位置，用有限元分析来量化温度转移量的变化。热循环从钻削开始计算至工件冷却到室温结束。

　　工作组确定，理想的钻削过程，孔的最大定位误差应在±20μm以内。对于两种最坏的情况：工件在夹紧装置里窜动或采用不合适的钻孔程序，孔的最大定位误差的计算值为±37μm。

　　该数学模型表明，由温度引起的位置误差与钻头位移和跳动误差相比是很小的。如果对钻削过程进行严格控制，模型就能帮助减小因干式钻削时产生的误差。

　　对于干式加工与湿式加工的费用对比，Daimler Chrysler、Ford Motor、General Motors提供了在用与不用冷却液的情况下在生产线上加工典型发动机铝合金缸盖的数据。此项研究表明，与湿式钻孔比较，干式钻孔每件可减少加工费用10％～15%。此外，如果由于金属加工产生的微粒浓度从5.0mg/m3减少到0.5mg/m3，对环境、健康和安全方面的费用，节约还将增加20％～30%。

　　回收干铝屑更有利可图，如1997年湿的铝渣每磅卖价为0.07～0.23美元，而干铝屑每磅卖价为1.05美元。干式加工的运营成本也较低。根据汽车厂统计，每年花费在与使用冷却液相关的费用大约为35～100万美元，而干式加工系统是为10～30万美元，并省去了操作和管理冷却液的人员。

　　机床制造商Horkos公司、日本的Fukuyama公司也分别进行了对湿式加工、干式加工和近干式加工相对费用差异的评估。由评估结果可以看出，干式加工的相关费用比近干式加工少32%，比湿式加工少69%，即干式加工比湿式加工和近干式加工有更高的成本效益。从成本构成的角度来看，干式加工除节省买冷却液的费用外，还能得到另外一些回报。

　　钻头寿命的基本情况与试验过程

　　工作组试验了钻尖的偏移、冷气喷射以及不同的钻头制造方法、不同的钻头参数、工件材料和切削速度、进给量对孔加工的影响。

　　检测从市场上买到的钻头的损坏状况，找出每根钻头在不使用冷却液的情况下所能加工的孔数。由Kennametal IPG提供试验用钻头，试验在Kennametal IPG公司和Ford公司同时进行。Ford公司采用的主轴转速为15000r/min，Kennametal IPG公司采用的主轴转速为5000r/min和3000r/min。试验用钻头为高速钢钻头(未涂层)，钻头直径为6.75mm，钻头全长100mm。基于试验结果，选用具有45°螺旋角、150°钻尖角和标准刃带的钻头进行设计细化和评估测试。

　　为了确定能提高钻孔数量的工艺参数，工作组拟定的试验内容包括：(1)工件材料的性能；(2)钻头的制造偏差；(3)钻头横刃修薄和沟槽抛光；(4)较高速度的影响；(5)钻尖的偏移；(6)冷空气的影响；(7)车间空气的影响；(8)设备改进；(9)工件供应商；(10)刀具涂层。

　　钻头的性能通过钻孔的数量来确定，钻孔在没有积屑瘤、崩刃或过分的主轴动力需求的情况下进行，其试验条件见下表。

　　表  在寻求改进钻孔效率时，Kennametal IPG公司采用的切削条件

　　试验参数—试验条件

　　定心钻头－钻头直径：4mm，钻尖角：118°，孔深：127mm　

　　试验钻头－钻头直径：6.75mm，钻尖角：145°，螺旋角：45°，用120#磨料抛光沟槽,标准刃带

　　孔深-20.3mm(盲孔)

　　转速与进给量－3000r/min，381mm/min

　　冷却－不用冷却液，或用Exair公司的冷却系统

　　材料－用M&A铸造厂生产的A-319铝合金

　　硬度－48±6HBN

　　材料成分－Al：90.18%，(其它:Si∶5.80%，Cu:3.80%，Fe:0.01%，Ti:0.12%)

　　(1)工件材料的性能

　　经研究发现，干式钻削对工件性能的变化很敏感。在工件材料性能不一致时，要准确评价钻头质量，就应重复进行试验，以得出统计结果。铸造铝合金A-319工件硬度的变化、内部磨料含量和气泡，都将影响到钻头钻孔的数量。试验中有些钻头钻孔数是其它钻头的2～4倍。

　　(2)钻头的制造误差

　　从同一批生产的钻头中随机选出8根，定名为J1～J8。试验这些钻头是在3500r/min和381mm/min的切削用量下，并使用导向孔以避免偏移，为防止产生积屑瘤，试验中采用了冷气喷枪。这样，每根钻头钻孔数在75～453的范围内。去掉有过大形状偏差的J6和J8，把这个范围压缩到240个孔。

　　由Ionbond公司所做的钻头金相试验中还可以看到钻头制造引起的性能差异：两根表面无异的钻头，其中一根钻了23个孔，另一根却钻了500个孔。两根钻头的沟槽都有积屑瘤，在钻尖附近都有小裂缝。两者的显微结构和化学成分都相同，关键的区别在于两根钻头钻尖处的硬度：一根低于设计值9%，而另一根低于设计值19%。然而，离开尖点100μm的钻尖处，硬度都达到了设计要求。进一步分析确定，不适当的刀具刃磨使钻尖被软化。这说明正确的钻尖形状和刀具材料的最佳物理性能对钻头的切削性能有很大影响。

　　(3)钻头横刃修薄和抛光

　　一批钻头经过附加的横刃修薄工序，增大了其容屑空间，减少了因切屑堵塞导致的钻头损坏。另一批带有同样的形状且沟槽抛光使切屑与钻头之间有较低的摩擦系数。Kennametal IPG公司称这些抛光钻头为“光亮钻头”。试验证明横刃的修薄比光沟槽更能显着提高生产率。横刃修薄的钻头在转速为3500r/min和进给量为381mm/min时，使用效果最佳。

　　(4)较高速度的影响

　　在进给量不变的情况下，速度较高时切削负荷较低，在不用冷却液的情况下，可提高钻孔效率。

　　(5)钻尖的偏移

　　钻尖的微小缺陷或主轴的跳动，都会引起钻尖小量偏移。钻尖在钻入工件表面之前，如果偏移量足够大则会造成孔位偏移。孔位偏移使钻头上压力加大，减低了钻头寿命。为避免孔位偏移，通常是用直径为4mm的钻头预钻1.27mm深的导向孔。这样钻孔数量可从36个增加到52个。

　　(6)冷空气的影响

　　比较两种形式冷空气传输方法，即通过钻头内部的冷气传输与用钻尖附近的外部喷咀直接冷却，两种方法都能减少积屑瘤的生成。当钻孔数从55个(冷气通过钻头)增加到162个(冷气直接喷向钻尖)时，这个结果仍与达到钻10000个孔的目标相差很远。另外，冷气的成本与更换钻头相比，还是很高。由于采用冷气没有显着地改善钻头寿命，因此通过综合评估后决定不再采用。

　　(7)车间空气的影响

　　用压力为63kg/cm2的车间过滤空气，通过主轴和钻头进行冷却。试验材料为Daimler Chrysler汽车公司的A-319铝合金板，钻头为直径6.75mm的高速钢钻头，主轴转速分别为3000r/min和1500r/min，进给量为381mm/min和5715mm/min。不用空气冷却时，主轴转速3000r/min，进给量381mm/min，钻头在钻第38个孔时折断；用空气冷却时，钻头在钻第624个孔时折断。当主轴转速为1500r/min，进给量为5715mm/min，不用空气冷却时，钻头在钻第23个孔时扭矩超载；用空气冷却时，延迟到第34个孔时扭矩才超载。在某些工作状态下，用空气通过钻头冷却钻孔是有利的，然而，采用太低的进给速度，仍达不到本项目的钻孔目标。

　　(8)设备改进

　　设备改进包括：主轴转速达到20000r/min、在钻头上附加超声振动头、加装增速主轴头、在真空环境下钻削。然而这些措施均未产生令人满意的效果。

　　(9)工件供应商

　　重复试验表明，不同的铸件供应商所提供的同样毛坯，其物理性能有明显的不同，这对钻削生产效率有极大影响。尽管采取一些控制措施，但对不同材料供应商所提供的毛坯，能钻的孔数仍然可能相差3～4倍。在钻头遇到孔洞、夹杂和硬度变化时，会产生额外的应力和变形，对处于工作载荷下的钻头十分不利。因此，确保供应商的铸件质量和铝合金内部的材料成分，是采用优化钻头达到高效钻孔的基础。

　　(10)刀具涂层　

　　在工作组的试验程序中，干式加工时采用也具涂层是获得高生产率最有效的手段。相比之下，不涂层钻头寿命很短，在磨损前，很少能钻25个孔以上。最有前途的涂层是物理涂层，类金刚石涂层只用于钻尖、刀具前面，而不是整个沟槽表面。试验时，将横刃修薄、有正常刃带、带45°螺旋角、150°钻尖角、尖部经过PVD涂层的钻头与市场上12根其它相同结构(未经横刃修薄而采用不同涂层)的钻头进行比较。切削用量为：主轴转速3500r/min，进给量381mm/min。试验结果表明，采用局部PVD金刚石涂层的钻头可钻4892个孔，效果极佳。最终钻头的损坏都是由于磨损而不是切屑的堵塞或粘结所造成。

　　基于上述试验结果，仍然采用前述几何形状(横刃修薄、正常刃带的、带45°螺旋角、150°钻尖角、尖部经过PVD涂层)的钻头，工作组确定将切削用量调整为：主轴转速4000r/min，进给量381mm/min，力争达到能钻8000个孔，目标为10000个孔。在此项目进行中加工了大量的孔，可是没有出现上限的目标值。采用不同转速和进给量的试验结果表明，如果转速从3000r/min提高到4000r/min，钻孔数可能会增加。若将刀刃进一步处理，仍然有可能100%达到这个目标。很明显，在A-319铝合金板上采用干式钻削工艺，要使它在汽车生产中成为经济上切实可行的方法尚不够成熟。然而，工作组所做的大量和严格的试验，显然已为采用这种先进的工艺奠定了很好的基础，也明确了进一步改进的方向，因此，该工艺达到经济可行性已为期不远。

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。