缸头加工刀具的选择和使用

■济南轻骑发动机有限公司（山东 250101）段洪珍 樊国荣

1.项目介绍

图1是我公司给国外某公司加工的缸头项目，从图中可以看出，所加工的工件结构复杂，尺寸比较多，同时所加工的尺寸要求也比较严，因此对加工中所需刀具也提出了更高的要求。

2.盖面加工

从图1可以看出盖面所加工的尺寸较多，但归纳起来主要有三类尺寸：铣面、钻铰孔和攻螺纹。

图1

盖面上的面加工，图样要求表面粗糙度值Ra≤1.6 μm，平面度0.05 mm，要求虽然比较高，由于加工面比较窄，相对好保证，但由于边缘较多，容易产生毛刺，缸头的材料含硅量在6.5%～7.5%之间，低于12%的硅铝合金，材料韧性较好，加工中容易产生毛刺，如果不注意对毛刺的控制，油道边缘未去除的毛刺在缸头工作时很有可能会掉落到油路中，对缸头的工作产生影响，同时对下道工序及装配都存在安全隐患。针对以上加工特点，盖面加工时需要选择能适应高速切削且切削锋利的面铣刀，面铣刀上起关键作用的是刀片，因此在刀片选用上，采用专门加工铝的硬质合金刀片，配以合适的切削参数，虽然可以保证加工要求，且加工中所产生的毛刺有所改善，但所产生的毛刺仍存在安全隐患，为了更加有效地去除毛刺，特意根据所加工的材料，经过多次试验，订做了适合缸头材质的带磨料的尼龙盘刷，与铣刀盘安装在同一台设备上，铣完面后，启动设备上换刀系统，换盘刷去毛刺，这样既去除了毛刺，又不伤害所加工的表面。

对于孔的加工，一般先用阶梯钻进行钻孔、孔口倒角，后用铰刀加工达到图样要求，根据加工经验及设备状况，一般钻头的直径比铰刀直径小0.30 mm，这样既避免了铰刀的过度磨损，又避免了孔加工不全或出现椭圆孔。

盖面上比较难加工的尺寸是凸轮轴孔：孔直径（36±0.012）mm，4个孔的总长是340 mm，此孔长径比较大，超过9∶1，直径尺寸要求严，且有同轴度和圆柱度要求，为了保证加工要求，经过多方研究、讨论制定了具体加工方案，在刀具的选择上也进行了特殊研究及订制。

攻螺纹工艺是先钻底孔，再攻螺纹，钻头尺寸的确定是根据螺纹孔的要求而定，螺丝孔一般有米制、挤压及美制等要求，各种螺纹孔对钻头直径要求是不同的，如同样是M6丝锥，米制丝锥要求钻头的底孔在4.92～5.15 mm，而挤压丝锥要求底孔在5.459～5.560 mm，当然钻头公差的具体确定还需根据所用设备、所用刀柄及图样螺纹孔的精度要求来定。

3.合箱面加工

从图2中可以看出，合 箱面上主要加工尺寸是铣面和气门阀座、导管孔加工及钻孔等。

合箱面的面加工，合箱面的宽度是220 mm，此平面的加工要求是平面度0.05 mm，表面粗糙度值Ra≤1.6m，从工艺要求来看，铣面的难点是所铣平面的宽度，通常铣刀盘的直径需要比毛坯的最大切削宽度大25%～30%，以方便切屑的排出。依照这个标准，需选择直径275～286 mm的面铣刀，但是，如果选择直径为275～286 mm的面铣刀盘，不仅面铣刀盘的价格昂贵，而且就目前我公司现有设备一般是立式加工中心，设备换刀库要求最大不相邻刀具尺寸为150 mm，直径275～286 mm的刀盘根本无法安装在设备换刀库中，若重新采购能用此刀盘的设备，那是不经济的，也是没必要的；若改用小直径的面铣刀，多次走刀，总是有或多或少的接刀痕，同时为了消除接刀痕，必须选用更高标准刀盘、刀片，也增加了采购成本，在工装的调试上也增加了难度。为了解决此问题，我公司对此刀具进行了特殊设计。

气门阀座、导管孔加工尺寸是工件生产的关键尺寸，历来是缸头加工公司最为关注的部分，我公司也不例外。因此在刀具的选用上也最为关注，我公司在这方面也积累了多年的经验。

图2

下套前阀座和导管孔尺寸要求相对不是太严，一般刀具就能满足要求。对于下套后刀具的选用，由于下套后气门阀座密封性能直接影响发动机的燃烧和排放，气门阀座与导管的加工质量又直接影响缸头的密封性，是缸头加工的关键工序，在刀具的选用上一般采用国外知名刀具品牌，根据缸头图样要求订做刀具。为满足阀座和导管孔质量要求，也为了提高节拍，加工工艺是：先进行90°倒角粗加工及导管孔粗加工，这两个工步在一把刀上加工，再进行90°阀座倒角精加工及精铰导管孔，这两个工步也是一把刀，精加工导管孔所用的刀具可以是镗刀，也可以是铰刀。在90°倒角精加工刀片选用上，为保证所加工表面的表面粗糙度质量，选用的材质是镶嵌CBN刀片。

4.盖面加工应用案例

盖面比较难加工的尺寸是凸轮轴孔，如图3所示，孔直径（36±0.012）mm，4个孔的总长是340 mm，同时有同轴度及圆柱度要求。可以看出直径36 mm尺寸要求严，长径比较大，超过9∶1，为了保证加工要求，经过多方研究、讨论制定了具体加工方案：先设计一把粗加工刀具，进行两端加工，保证尺寸直径是35.5 mm，这把刀可以用一般镗刀保证。然后进行精加工，这是尺寸保证的关键。在工艺选择方面，通过多次研究认为：为了保证图样尺寸、圆柱度及同轴度等，4个孔在同一方向上加工，且一次装夹，以防止由于工装旋转或工件二次装夹影响加工精度，具体加工工艺是先设计一把直径36 mm、长度在150 mm左右的短刀进行前两孔的加工，然后再设计一把直径36 mm，长度>340 mm的刀具，以前两个已加工好的孔为支撑，进行后面两个孔的加工。在刀具选用上，为了保证所加工孔的尺寸要求，必须寻找一个刀具厂家，以保证刀具的精度、刚性和直线度等要求。我公司经过调研、查找样本并与多个生产刀具的知名公司进行技术交流，选出了几个对刀具制造有多年研究的国外厂家，又经过多次筛选、对比，最终选择德国玛帕（MAPAL）公司，通过与其进行多次交流、讨论，最后确认了刀具设计方案，并对其设计的刀具图样进行确认，刀具形状如图4所示。因它采用的是如图所示可调式刀片，且可调式刀片搭配5个支撑导条，当刀片一开始切削时即受到导条支撑，抵消了刀具和主轴因切削力而产生的变形和振动。同时，刀具在使用时无论是调试还是加工都有严格的要求。如整个刀具的调整，虽然刀具长度>340 mm，但刀具加工前必须调整到B处跳动≤3m，A处跳动≤3m。

5.合箱面加工应用案例

铣合箱面，合箱面的宽度是220 mm，此平面的加工要求是平面度0.05 mm，表面粗糙度值Ra≤1.6m，从工艺要求来看，铣面的难点是所铣平面的宽度，而我公司此工序加工所用的设备是立式加工中心，此设备对刀具直径的要求是：最大刀具直径87 mm，最大不相邻刀具直径150 mm，且加工面不准有接刀痕。

为了解决此问题，经过多次研究、讨论，对新设计的刀具进行多次现场试切、返修，最后确定了刀具设计方案，如图5所示，此刀具的组成是刀体、两个机夹式镗刀头、两片刀片，两片刀片的材质不同，其中一片是硬质合金（见图中A刀片），另一片是镶嵌PCD刀片（见图中B刀片）。刀具制作简单且大小可以调节，根据加工要求，刀具在加工前需进行调试，具体要求为：先调整两刀片的径向距离直径是280 mm，但两片刀片距离刀具中心是不一样的，如图5L3=140.5 mm，L4=139.5 mm；然后调整两片刀片的轴向距离，高度相差0.05 mm，如图尺寸L2比尺寸L1大0.05 mm。刀具在开始加工时，对刀具进行定位，保证硬质合金刀片先接触需加工表面，这样就保证了硬质合金刀片始终先接触需加工表面，即硬质合金刀片进行粗加工，镶嵌PCD刀片进行精加工。由于此刀盘只有两个切削刀片，对其转速进行了适当降低：由用一般小刀盘时转速5000 r/min，降到2000 r/min，转速虽然降低了，但刀具加工时由原来使用小刀盘三次走刀，改为一次走刀，加工节拍反而比原来略有提高。

图3

图4

图5

另外，刀具在设备上装夹问题，由于所用设备是立式加工中心，最大不相邻刀具尺寸 125 mm，直径 275～286 mm的刀盘设备刀具库中根本装不下，若一台加工中心只安装这一把刀是不经济的。为了保证此刀盘的正常使用，又不影响其他工步的加工，制作了一个库外存刀工装，然后把这个工装装夹固定在机床的工作台上，单独把这把大直径刀具置于这个库外存刀工装上，而不是放在加工中心自带的刀库里。换刀的时候不是用加工中心自动换刀装置来换刀，而是通过程序控制主轴定向、主轴定位，以及主轴夹爪松开、抓紧、提刀和移出等几个步骤来实现这个抓刀过程。这样既消除了接刀痕，又不超过设备要求。

6.结语

通过对刀具的合理选择，及在刀具使用中进行严格的操作，保证了所加工缸头的产品质量，满足了客户要求。