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PCD刀具切削SAE327硅铝合金工艺研究
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1 SAE327材料的特点和切削难点
SAE327为铸造硅铝合金，是制造制冷压缩机连杆的主要材料。主要元素含量Si7%～8.6%，Cu1%～2%，Mg0.25%～0.6%，Mn0.2%～0.6%。抗拉强度＞230MPa，硬度110～130HB，延伸率＞1%。其晶格由高塑性的Al和高脆性的初晶Si组成。切削加工时，Al的塑性大，熔点低，易在工件表面与刀尖接触处产生积屑瘤，随后与破碎的初晶Si一起使工件部分表皮剥落，形成刀痕，使工件表面粗糙度变差。同时由于高硬度的Si含量较高，刀具也容易磨损。目前对压缩机效率值COP的要求不断提高，为减少往复式活塞压缩机内摩擦并降低输入功率值，连杆孔与曲轴间需要保证极小的摩擦系数和很高的表面接触率，要求圆度≤2μm，表面粗糙度≤Ra0.4μm，尺寸精度≤2μm，使用传统切削办法很难达到如此高的要求，因而在压缩机零件中一直是较为难加工的铝合金材料。
2 PCD的基本特点及高速干切削技术
随着聚晶金刚石（PCD）刀具技术和高速切削技术的发展，针对SAE327的切削性能，我们使用PCD刀具对连杆孔进行高速干式镗削，较好地解决了问题。PCD材质稳定，使用性能可以预测，故比天然金刚石更合适于作为切削刀具。PCD具有目前最高的硬度和耐磨性，具有非常锋利的刀刃，有很好的导热性，线膨胀系数很小，摩擦系数也小。但其主要缺点是强度低，脆性大，抗冲击能力差。因此一般不用于断续切削和重负荷切削。采用PCD刀具加工铝合金时，由于金刚石硬度高，表面与金属亲和力小，且刀具一般抛光成镜面，不易产生积屑瘤，加工尺寸稳定性以及表面质量都很好。在Ra0.02～0.32μm的条件下，可获得5～7级精度。
铝合金传热系数高，线膨胀系数大，在加工过程中会大量吸收切削热，使工件发生热变形，而且铝合金硬度和熔点都较低，因此加工过程中切屑容易与刀具发生“胶焊”或粘连，形成积屑瘤，这都是传统铝合金干切削中遇到的最大难题。解决的最好办法是采用高速干切削。高速切削中，95%的热量都传给了切屑，切屑在与前刀面接触的界面上会被局部熔化，形成一层极薄的液态膜，因而切屑很容易在瞬间被切离工件，大大减少切削力和产生积屑瘤，而且工件基本可以保持常温。既可以提高生产率，又改善了表面质量。
3 PCD镗刀加工SAE327的切削性能
我们使用PCD刀具对SAE327进行高速干镗孔，经过反复切削试验，对其工艺进行摸索和总结。加工连杆孔的情况基本如下：同一只镗刀中，硬质合金刀头用于粗加工，PCD刀片用于精加工，单边余量为0.05mm。连杆组件大孔中间两边有0.5mm的缝隙，孔表面中间有直径5mm油孔。由于加工表面非连续，应属于断续切削。采用无切削液的干切，有压缩空气喷射清除切屑。
3.1 切削速度的影响
切削试验表明，PCD切削速度与SAE327孔表面粗糙度关系很大。在实际生产中，为保证较低的表面粗糙度，可以采用较高的切削速度。但切削速度达到一定程度之后，由于高速条件下系统刚性和平衡性问题，表面粗糙度不但无法再继续下降，反而略有升高，而且机床功率要增加很多。所以一般情况下经济切削速度维持在140～180m/min之间即可，追求过高的切削速度是没有必要的。
3.2 进给速度的影响
试验表明，PCD进给速度与SAE327孔表面粗糙度之间有一定的关系。为综合保证较低的表面粗糙度和较高的生产率，选择合适的进给速度是重要的，应避开粗糙度为最高点时的进给速度。合适的进给速度也与PCD的刀具角度和刀尖型式有关。
3.3 刀具几何型式的影响
针对PCD的脆性缺点，而且我们加工剖分式连杆，孔中间有一定的缝隙，因此刀刃的几何参数应该尽量考虑减小崩刃的可能。一般刀尖顶刃形式分为小圆弧、大圆弧、直线形、多边形折线。切削实际表明：顶刃小圆弧的挤光作用对表面粗糙度的下降是有益的。虽然此时PCD刀尖不锋利，但切削效果却比锋利时还要好些。此时粗糙度由原来的Ra0.3～0.33μm降低到Ra0.15～0.18μm，这对提高连杆与曲轴之间的表面接触率，减少摩擦是有利的。精切SAE327时，可选择PCD镗刀的前角γ0＝0°～5°，后角α0＝10°～15°，主偏角Κr＝50°～70°，刃倾角λs＝0°。安装时镗刀头安装孔对镗刀杆中心可以有偏心，以保证实际切削的前角更大一些。
3.4 刀具与机床系统
PCD高速切削系统是一个复杂的综合系统，除了PCD刀具自身外，仍需要注意切削系统的其它部分。机床主轴与刀具的接口是非常关键的环节，它直接影响加工精度的稳定性。我们将连杆镗床镗刀柄与机床主轴的接口采用HSK32C。其主要优点是：采用锥面与端面过定位的结合形式，能有效地提高结合刚度；具有良好的高速性能；1:10锥度与7:24锥度相比较短，楔形效果好，故有较强的抗扭能力，且能抑制因振动产生的微量位移，这一点对系统刚性非常重要。
生产事实证明，使用HSK刀柄具有较高的重复安装精度，对于提高离机对刀与上机后的一致性和增加刀具与主轴的配合刚性，起到了关键的作用。同时为提高刀具系统的刚性，在满足容屑和排屑的情况下，尽量使刀杆直径与被加工孔直径接近。
我们对连杆精镗床的主轴进行了改进，配置了刚度高、承载能力强、阻尼特性好的径向和轴向液体静压轴承。切削试验表明：配置静压轴承效果很好，提高静压压力对加工出较高的表面质量是有利的。最终确定使用高压齿轮泵供油，压力高达4.5MPa，主轴近端径向跳动＜0.5μm，加工出连杆孔圆度＜1.5μm。加工孔表面高圆度的主要原因是静压轴承高刚度油膜对轴径圆度误差的均化作用。滚动轴承的旋转精度很难超过其滚道自身的圆度，且受滚动轴承制造和装配精度的限制，目前即使采用配置有精密主轴滚动轴承的镗床，大批量稳定地加工出小于3～4μm的表面圆度仍是比较困难的。
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