（机械制造及其自动化专业论文）发动机缸体高速加工工艺设计与研究.pdf

摘要 摘要 随着我国经济的发展，国内对汽车的需求迅速增长，如何提高汽车产 品零部件的生产效率和加工质量，对汽车行业的发展至关重要。发动机缸 体是汽车五大部件之一，其生产效率和加工质量直接关系到汽车的生产效 率和性能。发动机缸体传统的提高生产效率和加工质量的途径是尽量缩短 辅助时间和采用刚性生产线，这种途径在今天已经越来越不适应生产的发 展。因此，在汽车行业中，如何提高发动机缸体生产效率和加工质量是一 项重要的研究课题。 在考察了国内多家发动机生产厂家的生产方式，搜集、查阅了大量有 关资料的基础上，作者对发动机缸体的机械加工工艺过程进行了深入的分 析和研究，研究了高速加工方法在发动机缸体加工中的应用，并提出了发 动机缸体高速加工的工艺方案。 论文对发动机缸体的机械加工过程进行了分析和研究。围绕缸体的加 工方法，针对缸体加工的特点，研究了缸体高速铣削和高速镗孔工艺方案， 从理论上分析和研究了缸体高速加工技术的加工精度及其影响因素。设计 了缸体高速加工的工艺，并对缸体高速加工的关键工序进行了分析。 本文所设计的缸体机械加工工艺方案兼顾了工序集中与工序发散的原 则，既具有较高的柔性，又提高了生产效率。实践表明，该工艺方案的设 备利用率较高，生产能力稳定，可靠性较好，对同类产品的加工及工艺设 计具有一定的参考价值。 关键词发动机缸体；高速加工；工艺过程：加工精度；高速铣削和高速镗 孔 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y se c o n o m y ，t h e r ei sa l li n c r e a s i n g l y d e m a n df o ra u t o m o b i l e s h o wt oi m p r o v et h em a c h i n eq u a l i t ya n dp r o d u c t i v i t y h a sb e c o m i n gav e r yi m p o r t a n tp r o b l e mi nt h ef i e l do fa u t o m o b i l e t h e c y l i n d e r c l o c k ，a so n ep a r t o fa u t o m o b i l e ，i t s m a c h i n i n gp r e c i s i o na n d p r o d u c t i v i t yw i l le f f e c tt h eq u a l i t ya n dp r o d u c t i v i t yo fa u t o m o b i l ed i r e c t l y a t p r e s e n t ，i th a sb e c o m ea ni m p o r t a n tp r o b l e mt os t u d yh o w t oi m p r o v et h ec u t t i n g p r o d u c t i v i t ya n dm a c h i n i n gp r e c i s i o no f t h ea u t o m o b i l e sc y l i n d e r c l o c k b a s e do ni n v e s t i g a t i n gt h ec y l i n d e r c l o c kt e c h n o l o g yo fm a n yp r o d u c t i o n l i n e sa n dc o n s u l t i n ga n ds t u d y i n gal o to fr e l e v a n td a t aa n dp a p e r s ，t h ea u t h o r a n a l y s e st h em a c h i n i n gp r o c e s sa n dt h ea p p l i c a t i o no fh i g hs p e e dc u r i n g t e c h n o l o g yi nm a c h i n i n gc y l i n d e r c l o c k a f t e rs t u d y i n ga n da n a l y z i n go ft h e p r o c e s sa n dp r o c e d u r e ，t h ea u t h o rd e s i g n e dt h em a c h i n i n gp r o c e s so ft h e c y l i n d e r c l o c kw h o l l y t h ea u t h o ra n a l y z e dt h et i m ea n db a l a n c eo fm a c h i n i n gt h ec y l i n d e r c l o c k b ys t u d y i n gt h ep r o c e d u r eo ft h em a c h i n i n g t h ea u t h o ra l s os t u d i e dt h e p r o c e s s e so fh i g h s p e e dm i l l i n ga n dh i g h s p e e db o r i n go ft h ec y l i n d e r c l o c ka n d a n a l y z e dt h em a c h i n i n gp r e c i s i o na n di t s e f f e c tf a c t o r f i n a l l y , t h ea u t h o r d e s i g n e dt h eh i g h s p e e dc u t t i n gp r o c e s so ft h ec y l i n g d e r c l o c ka n da n a l y z e dt h e w o r k i n gp r o c e d u r e t h em a n u f a c t u r ep r a c t i c ei n d i c a t e dt h a tt h ep r o c e d u r e sa n dp r o c e s sl n e f e a s i b l ef o ri tt o o ki n t oa c c o u n tc o n v e r g e n c ea n dd e c e n t r a l i z a t i o na n di th a d c e r t a i nf l e x i b i l i t ya n dp r o c e d u r eo ft h ep r o d u c t i o ni ss t a b i l i z e da n dr e l i a b l e t h e f i n d i n g so ft h ep a p e rh a v es o m ec e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e k e y w o r d sc y l i n d e r c l o c k ；h i 曲s p e e dm a c h i n i n g ；p r o c e s s ；m a c h i n i n gp r e c i s i o n ； h i 曲一s p e e dm i l l i n ga n dh i g h s p e e db o r i n g i i 第1 章绪论 第1 章绪论 在机械制造业中，提高生产效率、降低生产成本、提高加工质量是企 业永恒的主题。我国机械工业每人的生产率仅为先进国家的1 1 0 1 3 0 1 】 2 】。 提高我国机械制造工业的技术水平、提高生产率、降低生产成本、发展先 进制造技术是我国机械制造业面临的迫切需要解决的重大任务。 汽车工业是现代国家国民经济的支柱产业之一，汽车用发动机制造在 汽车工业中有举足轻重的地位。为了提高产品在市场上的竞争能力，企业 无不在“以质量求生存，以品种求发展”上下工夫。随着我国发动机行业 的发展，对汽车产品及其零、部件质量要求的提高及品种多样化和更生换 代的加速，对车用发动机制造业中机械加工方式也提出了新的要求，专业 化、大批量生产已势在必行，即必须采用新的加工技术以适应生产的发展， 并要求以较低的成本、先进的工艺获得较高的经济效益。 1 1 汽车发动机缸体生产的发展过程 1 1 1汽车发动机缸体生产的历史回顾 从世界汽车工业的发展历程来看，汽车发动机缸体的生产大致经历了 传统机械制造自动化和现代机械制造自动化两个发展阶段3 】【4 】，具体可以分 为以下几个阶段： 1 1 1 1 从单件、, j q t t 量生产到流水线生产阶段1 9 0 4 年，国外在汽车发动 机缸体生产中开始应用生产流水线，从而开辟了在断续生产中用连续方式 组织生产的道路，取得了良好的经济效益。 1 1 1 2 刚性自动线生产阶段从2 0 世纪初开始，国外汽车发动机缸体生产 由机械化、半自动化发展到单机自动化，由流水线发展到自动线，基本解 决了大批量生产的加工过程的自动化问题。1 9 2 4 年，英国m o r r i s 汽车公司 通过对单机自动化和流水线的大量改进，建成了世界上第一条刚性的机械 加工自动生产线。1 9 3 5 年，原苏联研制成功第一条比较完整的汽车发动机 汽缸体加工自动线。二战后，美国福特汽车公司大量采用自动化生产线， 1 燕山大学工学硕十学位论文 使汽车生产的生产率成倍增加，汽车制造的成本大大降低。我国第一条用 于加工汽车发动机汽缸体端面孔的组合机床自动线于1 9 5 6 年投入使用。刚 性自动生产线具有以下特点： ( 1 ) 优点生产过程的连续性、比例性、节奏性都很高，所以具有可以 提高加工设备专业化水平、提高劳动生产率、增加产量、降低产品成本、 提高生产的自动化水平等优点； ( 2 ) 缺点由于设备高度专用化，对产品的变化缺乏适应力：如果某处 发生设备故障，就有可能导致全线停车，带来较大损失：生产率的提高幅 度不可能很大；技术改造困难较大。 1 1 1 - 3 数控机床( 单工序) 、加工中心( 多工序) 生产阶段进入2 0 世纪 5 0 年代，国外汽车工业的发展和生产系统的复杂性和自动化程度的增加， 出现和发展了现代控制理论。现代控制理论的应用和计算机技术的发展， 为汽车工业和汽车发动机生产的多品种、中小批量生产方式提供了新的自 动化途径，汽车工业的自动化水平得到了迅速的提高。 1 1 1 4 柔性制造系统和柔性生产线阶段从2 0 世纪7 0 年代前后开始，汽 车发动机缸体的生产进入一个新的发展阶段。一些国家发展了c a d c a m 集成系统、微型机c n c 系统、柔性生产系统、多级计算机控制系统和计算 机网络结构系统等【5 】【6 】，生产规模达到了车间和工厂的综合自动化。这种形 式适合于多品种中小批量生产，但具有一次性投资大、成本较高等缺点。 1 1 2 汽车发动机缸体生产的现状 缸体是汽车发动机乃至汽车中最重要的零件之一，它的加工质量直接 影响发动机的质量品位，并进而影响到汽车的质量和品位，因而发动机缸 体的加工长期以来一直受到国内外有关生产厂家的高度重视。 1 1 2 1 发动机缸体生产的常见形式从国内外的资料来看，目前，汽车发 动机缸体的生产大致有以下几种形式【7 9 】： ( 1 ) 以传统的组合机床自动线为基础的柔性化改造这种以提高传统的 组合机床自动化程度的技术改造已取得了相当的进展，传统的组合机床在 移植了计算机数控技术之后，组合机床的柔性化程度得到很大提高： 2 第1 章绪论 ( 2 ) 以加工中心为主体的准柔性生产线这里提出的是一种以加工中心 为主体，以普通机床和组合机为辅的“准柔性生产线”方案； ( 3 ) 适用于多品种、大批量生产的柔性传输生产线( f t l ) 和柔性制造 系统( f m s ) 。 1 1 2 2 发动机缸体加工技术的发展国外发动机缸体的加工技术经历了由 刚性自动化到数控或加工中心加工，再发展到柔性制造生产线、柔性制造 系统和敏捷柔性生产线制造。 2 0 世纪9 0 年代初，由于技术的进步，出现了高速加工中心等先进机床， 产生了敏捷柔性自动线。这种敏捷柔性自动线大大增强了汽车发动机生产 厂推行的“中品种、大批量、低成本”的新生产方式来适应市场的能力， 因而在汽车工业中得到广泛的应用。 敏捷柔性自动线具有适应市场能力强、投资适度等优点，各工业发达 国家广泛应用于汽车五大零部件的生产中。如德国h u e l l e r _ h i l l e 机床 公司提供的加工v 6 、v 8 和v 1 0 型发动机铸铁缸体的敏捷柔性自动线，其 生产节拍为9 0 秒叭。缸体敏捷柔性自动线具有柔性好、投资效益好和设备 利用率高等优点，因而得到广泛应用。 11 2 发动机缸体的生产方式 2 0 世纪3 0 年代到达5 0 年代，对于大批量，少品种的发动机生产情况， 一般采用刚性自动化( f i x e da u t o m a t i o n ) 方式。刚性自动流水线通常相当 昂贵，设备基本固定，不灵活，只能加工一个零件或者几个类似的零件。 如果要改变产品的品种，自动流水线要作较大的改动，在投资和时间方面 的耗费很大1 i 】【12 1 。 从2 0 世纪6 0 年代开始到家7 0 年代，计算机控制的数控机床( c n c ) 在 自动化领域取代了机械式或液压式的自动机床，它为柔性生产线系统的产 生打下了很好的基础。结合自动流水线与n c 机床的特点，将n c 机床与物 料输送设备通过计算机联系起来，形成一个系统，来解决中等批量、中等 规模品种以及小批量生产领域的问题，就形成了所谓的“柔性生产线系统”。 以加工中心为主组成计算机控制的柔性生产线系统，自动化程度高， 3 燕山大学一f 学硕士学位论文 能多品种生产，能适应快速变化的市场，因而在国内外倍受生产厂家的青 睐。综合国内外生产的经验，采用柔性生产线具有以下优势1 1 3 州 ： ( 1 1 设备利用率高一组机床编入柔性生产线系统以后，产量比这组机 床在分散单机作业时的产量提高数倍； ( 2 ) 生产能力相对稳定柔性生产线系统有多台机床组成，发生故障时， 有降级运转的能力，物料传输系统也有自行绕过故障机床的能力； ( 3 ) 产品质量高零件在加工过程中，装卸一次完成，定位可靠，加工 精度高，加工形式稳定； ( 4 ) 运行灵活有些柔性生产线系统的检验、装卡和维护工作可在第1 班完成，第2 、3 班可在无人照看情况下正常生产； ( 5 ) 产品应变能力大刀具、夹具及物料运输装置具有可调性，且系统 平面合理，便于增减设备，满足市场需要。 柔性生产线系统虽然具有上述优点，但也有它的缺点与不足。 ( 1 ) 系统投资大，投资回收期长； ( 2 ) 系统结构复杂，对操作人员要求高； ( 3 ) 结构复杂使系统可靠性较差； ( 4 ) 只使用于品种变化不大，批量在2 0 0 2 5 0 0 件的中等批量生产。 1 3 高速切削加工技术简介 高速切削加工技术是近十几年来发展起来的一种先进制造技术，是国 际上公认的四大先进制造技术之- - m 1 。在国外汽车发动机缸体的生产中， 高速加工中心应用越来越广泛。 l _ 3 1高速切削加工理论的提出 2 0 世纪3 0 年代，德国切削物理学家s o l o m o n 提出高速切削加工理论， 指出了高速切削加工实现的可能性【”一9 1 。2 0 世纪5 0 年代，美国麻省理工 学院发明的数控机床开创了世晁制造技术的新纪元。从此，机械制造由过 去采用普通机床和组合机床的生产线逐渐发展到采用加工中心和其他数控 机床组成的柔性制造系统( f m s ) ，实现了多品种、小批量生产的柔性自动 4 第1 章绪论 化，成功地解决了形状复杂、重复加工精度要求高的零件的加工问题，显 著地提高了生产率。 自2 0 世纪8 0 年代以来，高速切削加工技术作为当今世界制造业中一 项快速发展的高新技术，已在模具、航空航天、汽车以及其他领域得到广 泛应用。 目前，关于高速切削加工技术尚无统一定义，一般认为高速切削加工 技术是指采用超硬材料刀具和模具，利用能可靠地实现高速运动的高精度、 高自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速度来达到提高材料切除率、 加工精度和加工质量的先进技术。 根据国外的研究成果，由于不同的工件材料，不同的加工方式有着不 同的切削速度范围，因而很难就高速加工的切削速度范围给定一个确切的 数值。高速加工切削速度范围因不同的工件材料和加工方法不同而不同， 目前，一般认为，高速加工各种材料的切削速度范围为f 2 0 】：铸铁1 5 0 0 m m i n ， 钢6 0 0 - 3 0 0 0m m i n ，铝合金1 6 0 0m m i t t ：各种切削工艺的切速范围为；车 削7 0 0 7 0 0 0r r d m i n ，铣肖03 0 0 6 0 0 0m m i n ，钻削2 0 0 1 1 0 0m m i n 等。 l - 3 2 高速切削加工技术的特点与应用 高速切削是一种利用浅切深、高速进给和高速切削速度的方式进行加 工，不但可以大幅度降低加工成本与时间外，且有热变形小与切削力低等 优点【2 1 。当前高速加工技术作为先进制造技术的重要组成部分，在航空、 航天、汽车等行业得到了广泛应用，产生了巨大的经济效益。 1 3 2 1 高速切削的优势传统的切削加工方式为“重切削”方式( 日。大、厂 小、v 小) 【2 2 】，也就是切削深度大，切削排屑量大，但进给速度低，而高速 切削加工方式为“轻切削”方式( a 。小、厂大、v 大) ，即切削切削深度小， 切削排屑量小，但切削线速度大，它与传统的切削加工相比具有显著的优 势 3 3 3 6 】： ( 1 ) 材料切除率高，切削力小切削力小，有利于加工薄壁零件，同时 有利于减少工件变形，从而改善零件表面质量及精度； 5 燕山大学工学硕士学位论文 f 2 ) 切削热对工件的影响小： ( 3 ) = j n x l 表面质量高； ( 4 ) 简化工艺流程，降低生产成本加工时可将粗加工、半精加工、精 加工合为一体全部在一台机床上完成，减少了机床台数，避免由于多次装 夹而产生的加工误差； ( 5 ) 力n i 时间短，经济性好。 1 3 2 2 高速切削存在的问题目前对高速切削加工这一先进技术的研究应 用还处于不断的探索研究中。实际上，人们对高速加工理论的经验还很少， 还有许多问题要解决。 ( 1 ) 缺乏合理的加工参数选择方案： ( 2 ) 缺乏合适的刀具选择方案； ( 3 ) 大多数c a m 软件没有考虑到高速切削问题： ( 4 ) 高速机床的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和刀具寿命问题。 1 3 2 3 高速切削的应用目前高速切削已经不是实验室里的技术了，高速 切削加工技术的应用主要集中于航空航天工业、汽车工业、模具工业、难 加工材料、超精密微细切削加工等领域。 1 4 研究背景 目前我国汽车发动机缸体的制造系统一般有柔性制造系统、可调性制 造系统和刚性制造系统。柔性制造系统是由柔性制造单元组成，适用于对 未知产品的加工，能很快适应市场的变化，但其一次性投资大。刚性制造 系统是以专机组成的生产系统，它有明确的加工对象，因而变换产品很困 难，但它具有投资少的特点。而可调性制造系统介于柔性和刚性系统之间， 具有较明确的加工对象，而且加工对象具有一定共性，对市场的变化有一 定的适应性，投资也介于两者之间。 如何选择合适的发动机缸体的加工方式，应根据缸体的加工特点、企 业生产方式和企业承受能力进行具体问题具体分析。根据企业实际，课题 研究的缸体机械加工的设备采用适量的高速加工中心和高速组合机床。 6 第1 章绪论 1 4 1 缸体高速切削加工 1 4 1 1 发动机缸体高速切削加工的安全性由于转速的提高，高速切削加 工的安全性问题变得越来越重要。为了保证安全，我们在缸体的高速切削 加工中采取了以下措旋【2 ”】： ( 1 ) 所有高速加工机床的保护装置和操作位置都符合e c 标准； ( 2 ) 操作位置具有极好的视野并符合人机工程环境要求，在工件装卸处 和刀库区域都特别配置了带窗户的全封闭护板： ( 3 ) 对高速旋转刀具严格按安全标准设计选择，对于机夹可转位刀具提 高刀体的强度和零件、刀片夹紧的可靠性； ( 4 ) 对操作人员进行安全培训，作到刀具的最高使用转速不超过刀具制 造商规定的要求。 总之，通过采取措旌，缸体高速加工的安全性是可以保证的。 1 4 1 2 发动机缸体高速切削加工的优势在发动机缸体生产中采用高速切 削加工工艺具有独特的优势： ( 1 ) 可满足多品种共线生产工艺要求，以高速加工中心为主组成的生产 线具有适应不同产品加工的能力； ( 2 ) 具有良好的投资效益，在一定经济批量内，高速加工中心生产线不仅 在生产效率上超过加工专机生产线，而且其投资也低于加工专机生产线： ( 3 ) 具有高度的柔性，采用以高速加工中心为主的生产工艺，每道工序 一般由2 台以上相同设备来完成，1 台机床发生故障不会影响全线生产； ( 4 ) i 序集中，可将粗加工、半精加工、精加工合为一体，全部在一台 机床上完成，减少了设备数量，避免了多次装夹产生的误差。 1 4 1 - 3 发动机缸体高速切削加工的可行性相对于传统的发动机缸体的切 削加工方式，高速切削加工方式加工效率高、加工表面好。 ( 1 ) 缸体高速切削加工的效率高一般来说，高速切削加工中一t i 的换刀 时自j 小于l s ( 个别达到o 4 5 s ) ，托盘交换时间小于1 0 s ，工进速度最高达到 6 0 1 0 0 m r a i n ，这些都表明高速切削加工具有很高的效率； 7 燕山大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 发动机缸体高速切削加工的精度高就高速加工中心而言，高精度 主要是指高的定位精度重复定位精度。工作台l m 以下时，按i s o 一2 3 0 2 标准为0 0 0 8 m n “0 0 0 5 m m 。在发动机缸体高速加工中，选用的高速加工中 心c w k 5 0 0 d 的定位精度重复定位精度为0 0 0 8 m n “0 0 0 5 m m ，机床的回复 精度为0 0 0 4 m m 。 结合我国企业的特点和承受能力，在可调性制造系统中引入高速切削 加工机床来加工发动机缸体是切实可行的。 1 4 2 缸体传统加工方法与高速加工方法的比较 在缸体的加工中，传统的方法主要是采用专机为主组成的刚性加工线， 这种方法适应了单一品种、大批量的生产需要。这种刚性加工线虽然生产 效率高，但也具有设计制造周期长、一次性投资大、专用性强等缺点。 在生产全球化的发展趋势下，汽车制造业出现了由单一品种、大批量 生产向多品种、中小批量生产的趋势，这一趋势要求产品品质高、成本低、 上市快、服务好、环境清洁和产品更新换代及时。上述的刚性加工线显然 不能满足这一趋势。 高速切削加工具有材料切除率高、切削热对工件的影响小、加工表面 质量高工艺流程短成本低、对环境的污染小等优点，适应了生产发展的趋 势，因而被广泛应用于汽车制造业中。 总起来说，传统的缸体切削加工方式为“重切削”方式，即切削深度 较大、切削排屑量大，但进给速度低；高速切削加工方式为“轻切削”方 式，即小切深、大切速，切削排屑量小，它与传统的缸体加工方式相比具 有明显的优势。 1 4 3 刚柔结合的缸体高速切削加工方式 在发动机缸体的加工中，传统的提高生产率的方法是极大地缩短加工 辅助时间。这种方式在自动化初期是行之有效的，但是辅助工时的缩短是 有限的。随着数控机床、加工中心和柔性制造系统在发动机缸体生产中的 应用，机械加工的辅助时间已大为缩短，在这种情况下，如果再一味地减 8 第1 章绪论 少辅助时间，技术上有难度，经济上不合算，而且对提高生产率作用也不 大。只有大幅度地减少切削工时，即提高切削速度和进给速度，才有可能 在提高生产率方面出现突破，满足高效率、高柔性的生产要求。 为了进一步提高生产效率，必须大幅度提高切削速度和进给速度，以 降低切削工时。高速切削加工不但生产效率高，而且加工精度、表面质量 好。目前，这一先进制造技术已开始进入工业应用，在汽车、摩托车、航 空航天、模具和一般机械工业中均己得到广泛应用并已取得重大的技术、 经济效益。 课题借鉴国内外发动机生产实践中的先进技术和先进经验，在缸体可 调自动生产线中引入高速加工中心和高速加工机床来组织汽车发动机缸体 的生产，形成刚柔结合的发动机缸体加工自动线，充分利用刚性生产线和 柔性生产线的优点，来提高缸体加工的生产率和加工质量，从而在激烈的 市场竞争中处于有利地位。 1 5 课题意义及主要研究内容 1 5 1 课题的意义 论文以工艺流程为目标，针对具体的生产任务，通过对自动机床、高 速加工中心和高速组合机床等进行组合使用，解决刚性和柔性生产的合理 利用，从而实现柔性程度较高的发动机缸体的机械加工。 在发动机缸体的加工中使用具有较高柔性的自动生产线和在加工中采 用高速切削加工技术，能明显提高生产率，改善劳动条件，具有极大的经 济效益和社会效益。 1 5 2 论文的主要内容 课题面向生产实际，结合国内外发动机行业的现状和我国生产的特点， 对发动机缸体生产线及其工艺过程进行分析与研究，初步研究和探讨柔性 制造技术和高速加工技术在发动机生产中的应用，其目的是为了提高车用 发动机缸体制造的生产率，解决生产过程中的一些工艺问题。 9 燕山大学工学硕士学位论文 论文主要从发动机缸体的生产线组成及工艺过程和高速加工技术在其 加工中的应用等方面进行分析和研究，共分以下几章： 第1 章简述了发动机缸体机械加工和高速切削加工技术的历史、本课 题的国内外现状和开展本课题的意义； 第2 、3 章对发动机缸体的机械加工工艺中的高速铣削和高速镗孔技术 进行了分析和研究： 第4 章从总体对发动机缸体的切削加工工艺进行设计，分析和研究了 发动机缸体机械加工主要工艺过程。 1 0 第2 章发动机缸体高速铣削工艺研究 第2 章发动机缸体高速铣削工艺研究 在汽车发动机缸体的机械加工过程中，在保证质量的前提下，如何提 高生产率始终是众多生产厂家关注的焦点之一。平面是发动机缸体的主要 表面之一，而铣削是目前最常用的加工平面的主要加工方法。与普通平面 铣削相比，在平面的加工中采用高速铣削具有表面质量好、切削热少、切 削力小和切削效率高、成本低等优点1 6 1 1 2 0 1 4 4 】 2 1高速铣削加工对刀具的要求 2 1 1高速铣削加工对刀具的基本要求 课题研究的汽车发动机缸体材料为高强度合金铸铁，高速铣削铸铁的 一个主要问题是刀具磨损。与普通铣削相比，高速铣削时刀具与工件的接 触时间少，接触频率增加，由此减少了切屑的皱褶，铣削过程中产生的热 量更多地向刀具传递。因此，刀具必须具有抵抗断裂和塑性变形的能力。 高速铣削铸铁时，刀具用更锋利切削刃和较大的后角，这样可以减小 切削时刀具的磨损，提高刀具的使用寿命。在高速铣削时，轴向进给量对 刀具的影响较小，但径向进给切削时常常因为高速而产生的高温超过刀具 材料的红硬性而使刀具失效。 高速铣削对刀具材料、刀具几何参数等提出了不同于传统铣削速度时 的要求，高速铣削要求刀具具有高硬度、高强度、高韧性和抗冲击能力强 等性能。适用于高速铣削的刀具材料有硬质合金涂层、立方氮化硼和陶瓷 等材料，由于硬质合金涂层刀具具有耐热性好、硬度高的涂层材料及多层 涂覆技术，使硬质合金涂层刀具的切削范围大、寿命长，其切削性能大大 优于非涂层硬质合金刀具，且成本低，所以在发动机缸体的高速铣削加工 中选用硬质合金涂层刀具。 为保证高速铣削的加工要求，在刀具材料选定后，应选择合理的刀具 结构、刀体材料和刀具、刀片的夹紧方式，同时选择强度较高的刀杆。 燕山大学工学硕士学位论文 2 1 2 高速铣削加工铣刀的选择 高速铣削加工的刀具选择，包括刀具类型及铣刀装夹结构的选择。在 发动机缸体的高速铣削加工中，由于主要加工表面为平面，因而选择的是 端面铣刀，以方便加工。 2 1 2 1 刀具类型的选择在高速铣削加工中，用于加工的刀具材料主要有 聚晶立方氮化硼、陶瓷、新型硬质合金和涂层硬质合金等，由于涂层硬质 合余具有成本低、韧性好、抗冲击等优点，因而在缸体的高速铣削加工中， 刀片采用硬质合金涂层刀片。 2 1 2 2 刀具装夹结构的选择刀具的装夹结构包括刀柄结构和接装刀具的 模块。刀柄是高速铣削加工中的一个关键件，主要体现为它传递机床精度 和切削力。高速铣削时既要保证加工精度，又要保证很高的生产效率，所 以高速铣削时刀柄须满足下列要求： ( 1 ) 很高的几何精度和装夹重复精度； ( 2 ) 很高的装夹刚度： ( 3 ) 高速运转时安全可靠。 在机械加工领域，传统上选择7 ：2 4 锥度的刀柄，虽然这种刀柄有其 优点，但也存在缺点。目前国外普遍采用1 ：1 0 锥度的h s k 空心刀柄，与 常用的7 ：2 4 锥度的刀柄相比，h s k 空心刀柄具有以下优点f 3 0 】【3 l 】： ( 1 ) 重复使用时装夹和定位精度高； ( 2 ) 刚度高，并可传递大的转矩； ( 3 ) 装夹力随转速升高而加大。 接装刀具的模块采用力膨胀夹头，这种夹头具有装夹精度高，操作简 单，结构紧凑，造价较低。由于上述优点，在发动机缸体的高速铣削加工 中，采用1 ：1 0 锥度的h s k 空心刀柄。 2 1 3 高速铣削加工铣刀的安全性 由于转速的提高，其安全性问题变得越来越重要。国内外许多学者对 此做了大量的研究工作【2 6 1 1 4 5 1 。 第2 章发动机缸体高速铣削工艺研究 在发动机缸体的高速铣削加工中，刀具系统( 刀刃刀柄刀盘夹紧装 置) 不平衡会缩短刀具寿命，增加停机时间，并会增大加工表面粗糙度， 降低工件加工尺寸精度和主轴轴承使用寿命。离心力会使主轴轴承承受到 方向不断变化的径向力作用而加速磨损并引起机床振动，甚至可能发生事 故。在高速切削加工中，必须进行刀具系统的动平衡，从而保证加工过程 的安全性。 2 2 发动机缸体高速铣削加工工艺 2 2 1缸体高速铣削平面的技术要求 在发动机缸体的平面的高速铣削加工中，主要的加工平面有上下底面、 两端面、凸台平面和接合面等。其加工技术要求如图2 - i 所示。 2 2 2 缸体高速铣削工艺的基本要求 在缸体的平面的加工加工中，常采用高速加工专用机床、高速数控机 床( 或高速加工中心) 来进行高速铣削。高速铣削具有不同于常规铣削的 特点，因而对加工过程有特殊的要求。 2 2 2 1 高速铣削工艺的基本特点高速铣削加工与传统的数控加工方法 没有本质区别，两者都牵扯到同样的工艺参数一切削速度、进给量、切削 深度，也同样需要切削参数编制数控程序【1 6 】【2 7 1 。但高速铣削是在高切速、 大进给、小切深的状态下进行的，因此每一个参数的微小变化，在高速数 控铣削中都会带来显著的影响。 2 2 2 2 高速铣削工艺的基本要求高速铣削刀具的轨迹除了满足高精度、 高效率和计算稳定外，还必须满足以下特殊要求：不能碰撞任何工件、工 装等：加工过程中引起的振动应在加工系统控制范围以内；加工刀具轨迹 必须平滑，切削深度应均匀。 燕山大学_ 【：= 学硕士学位论文 ( 口) 上下底面( 6 ) 两端面 ( c ) 接合面 图2 - 1 发动机缸体高速铣削平面 f i g 2 - 1h i g h s p e e dm i l l i n gt h es u r f a c eo f t h ec y l i n d e r 2 2 3 缸体高速铣削的刀具参数与铣削用量 课题研究的汽车发动机缸体的材料为合金铸铁。合金铸铁属于较易切 削的材料，强度和硬度较低，抗拉强度低。在发动机缸体的高速铣削加工 中，刀具参数和铣削用量对保证加工质量具有重要意义。 2 2 3 1缸体高速铣削时的刀具参数选择刀具参数的选择对高速铣削加 工有着重要的意义1 16 1 。 1 4 第2 章发动机缸体高速铣削工艺研究 ( 1 ) 后角由于高速切削时的进给速度很高，刀具后刀面和工件已加工 表面之间的第三变形区就成为不可忽视的一个发热源，为了减少刀具和工 件之间的摩擦，后角可以选大一点。但由于前角对切削过程的影响更大， 一般须选取较大的前角。为此，综合考虑可以将后角选为1 2 0 以上： ( 2 ) 前角与传统的铣削工艺相似，当前角较小时，切屑流出阻力较大， 切削力较大：当前角过大时，因刀具的散热体积较小，所以刀具较易磨损， 为此一般选择刀具前角为1 2 0 左右； ( 3 ) 刃倾角刃倾角影响切屑的方向和切削力的大小，因合金铸铁的切 屑状态为崩碎切屑，一般刃倾角选择为_ 1 5 0 一1 0 0 ； ( 4 ) 合理选择切削用量工件材料的切削加工性、刀具材料的耐磨性等， 都对切削用量的选择产生直接的影响。合理选择切削用量可以提高铣削效 率和工件表面加工质量。 2 2 _ 3 2 铣削速度铣削速度的提高无疑会加剧刀具的磨损。但是，铣削速 度的提高可以有效地提高单位时间单位功率的金属切除率，同时在一定的 高切削速度范围内可以降低工件表面粗糙度。图2 - 2 表现了表面粗糙度与 铣削速度和进给速度的关系。 t 8 蝶 4 2 0 图2 - 2 表面粗糙度与铣削速度和进给速度的关系 f i g 2 - 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em i l l i n g a n df e e d i n gs p e e d sa n dt h ef o u 翊1 n e s s l s 燕山人学工学硕士学位论文 2 2 3 3 进给量与其它材料的高速切削过程一样，每齿走刀量与刀具磨损 之间也呈驼峰线趋势。切削速度和进给速度的提高，有利于迅速移开热源， 降低工件的温升。 2 2 4 缸体高速铣削的冷却 2 2 4 1 热量的分布和影响在发动机缸体的高速铣削过程中会产生大量的 切削热，这些热量中，约7 5 被切屑带走，约5 被工件吸收，约1 5 传到 刀具上，其余约5 传入周围介质【l 。如果不把9 5 以上的切削热迅速带走， 就可能会是工艺系统产生过大的热变形，从而影响发动机缸体的加工精度。 2 2 4 2 冷却方式及冷却液缸体高速铣削加工时，刀具周围会产生很强的 旋流，普通冷却方式无法将冷却液喷射到工作刃区，同时离心作用对冷却 液的粘附性能要求较高，因此高压大流量将带有7 5 热量的切屑冷却并迅 速带离工作台和工件是主要目的。 切削液即冷却润滑液采用极压乳化液，极压物质在工件和刀具之间与 金属表面能起化学反应，生产熔点更高的化学吸附膜，能起到良好的润滑 作用。当切削液进入切削区以后，它就会渗入到刀具、工件和切屑之间的 接触面，形成一层润滑膜，可以减少切削过程的磨擦，减少切屑与刀具的 粘结现象，并抑制积屑瘤的产生，有利于改善工件表面质量。 目前已开发出刀体中心冷却的刀具，这种刀具与高压大流量的冷却方 式相结合，产生了高压大流量内冷式的冷却方式，很好地解决了发动机缸 体高速铣削时刀具刃区的冷却润滑问题。 2 3缸体高速铣削的加工精度 虽然高速铣削具有切削力小、加工精度较高等优点，但精度较高是相 对的。在发动机缸体的高速铣削中，影响加工质量的因素有很多，如果对 这些因素不加以控制，就会对加工质量产生不利影响，甚至造成缸体零件 的报废。具体地说，影响缸体高速加工的主要因素有： 1 6 第2 章发动机缸体高速铣削工艺研究 ( 1 ) 切屑的形成形式和分离形式的改变； f 2 1 切削过程中产生的切削热； ( 3 ) 工艺系统的振动； ( 4 ) 刀具系统的动平衡； f 5 ) i 艺系统的刚度。 2 3 1工艺系统的刚度对；i n - r 精度的影响 高速铣削加工时，刀具与主轴的联结刚度远大于刀具本身的刚度：同 时，刀具所受的主切削力远大于其它的切削力，根据材料力学的理论，高 速切削加工时，刀具受力可简化为如图2 3 所示的一端固定一端自由的受集 中力作用的力学模型。 图2 - 3 高速铣削加工力学模型 f i g 2 3t h em e c h a n i c sm o d e lo f t h eh i g h - s p e e dm i l l i n g 刀具刀杆的变形量可由下式计算： 匕：f x 2 ( 3 l - x ) ( 2 - 1 ) 5 6 e l 式中p 一主切削力 口一刀杆材料的弹性模量 卜旋转刀具的积惯性矩 刀具刀杆的最大变形量发生在工= ，处： k = 刍 ( 2 - 2 ) 2 3 - 2 刀具系统挠曲变形对加工精度的影响 发动机缸体的高速铣削加工中，高速旋转的刀具受到很大的离心力的 1 7 燕山大学工学硕十学位论文 作用，刀杆在离心力的作用下会产生较大的挠曲变形，这种挠曲变形超过 允许的限度，造成刀具的偏转，加工结合面时就会影响n i 精度和工件表 面质量。 在许多情况下，由于主轴的径向刚度比装入其中的旋转类刀杆的刚度 大很多，而刀杆与主轴孔之间也具有很高的接口刚度，同时，高速铣削时， 主切削力f 远大于其他的切削力。根据材料力学理论，高速铣削时旋转刀 杆可简化为如图2 4 所示的一端固定一端自由的受集中力作用的悬臂梁。 设质量为m ，弹性模量为e ，惯性矩为j 的刀具系统以转速国转动时， 若在端点占处作用外力f ，刀具系统转动轴将产生挠曲变形，转动轴因变形 处于动不平衡状态【2 6 1 ，由此产生的离心力将使轴进一步产生变形。 如图2 - 4 所示，由材料力学知，在距支承端距离为工的端部四处由切削 力f 引起的变形( 挠度) 为： f ，3 2 茜( 2 - 3 ) 当轴以转速国旋转时，离心力在雪处引起的变形为： f c e n = r 2 掣等笋d x 口4 ， 旋转轴在b 处的变形应为两者之和，即： ；= 兀+ 。( 2 5 ) 卜_ ai 卜q 越：4 t f i t n - t t n 图2 - 4 悬臂转轴的力学模型 f i g 2 - 4t h em e c h a n i c sm o d e lo f s t a n d o u tw h i r l i n ga x i s e 在发动机缸体的高速铣削加工中，刀片是装在铣刀盘上再与刀杆相联 结的。由于刀柄后端及主轴的直径较大，其刚度比前端悬伸部分刀杆大得 第2 章发动机缸体高速铣削工艺研究 多，可将前端悬伸部分处理为悬臂梁，而铣刀盘可以处理为集中质量。由 式( 2 5 ) 计算的变形需做修f 。图2 5 为铣刀盘简化后的力学模型。 ( 口) 铣刀盘( 6 ) 铣刀盘简化 ( c ) 铣刀盘的转角变形 图2 - 5 铣刀盘简化的力学模型 f i g 2 5t h em e c h a n i c sm o d e lo fs i m p l i f i e dc u t t i n gd is c 若铣刀盘的质量为m ，是刀柄前端悬伸部分质量m 的芦倍。当径向外 力f 作用于刀盘上时，外力f 产生的b 处的变形厶仍可用式( 2 3 ) 计算， 而离心力产生的在b 处的变形为： 厶。= f 2 百f x 2 ( 3 l - x ) 驾d x + 1 f l r n o ) r 2 f l 3 刍( 2 6 ) 总的变形为： f 2 = + 二：( 2 7 ) 高速铣削过程中，铣刀杆除发生挠曲变形外，铣刀盘还会由于刀杆的 转角变形而产生扭转，这种扭转对缸体平面的铣削精度的影响将比挠曲变 形的影响更大。铣刀杆的转角变形如图2 - 4 所示，材料力学知，转角0 为： p ：堡 f 2 _ 8 ) e l 根据图2 5 ，由于转角口较小，由此而引起的直径为d 的铣刀盘在垂直 于加工平面方向的最大摆动量为： a i = i d t a n 0 2 i d 口( 2 - 9 ) 式中目一刀具系统的转角变形 f 一主切削力 1 9 燕山大学工学硕士学位论文 d 一铣刀盘直径 2 4 铣削工艺实验及结果分析 2 4 1 切削参数的选择 在发动机缸体的高速铣削加工中，选择合理的切削参数对保证铣削质 量具有重要意义。选择切削参数时，应根据加工精度、刀具材料和加工精 度要求等进行合理的选择。 ( 1 ) t j 具寿命根据进口刀县的质量情况，暂定刀具寿命 - - 1 5 0 分钟。 ( 2 ) 每齿进给量玎 m m ) 精加工o 0 5 5 0 1 5 ；粗加工0 ，1 5 0 4 。 ( 3 ) 切削深度( i 砌) 精加工1 2 ；粗加工2 3 。 2 4 2 工艺实验及结果分析 以上下底面的铣削加工为例，对其铣削加工工艺过程进行简单分析。 上下底面的铣削加工，根据设计要求采用粗、精加工分开工艺方案加工完 成。 2 | 4 2 1 实验设备实验用的设备为高速卧式加工中心c w k 5 0 0 d ，主轴最大 转速为n m o ：, = 1 5 0 0 0 r m i n 。该加工中心具有较高的精度，其定位精度重复定 位精度为0 0 0 8 m r n o 0 0 5 m m ，机床的回复精度为0 0 0 4 m m 。 2 4 2 2 实验刀具在高速铣削加工中，采用的刀具为盘铣刀，刀具材料为 硬质合金涂层刀片，齿数为1 2 ，选用的刀柄为德国生产的h s k 系列刀柄系 统。h s k 型刀柄采用1 ：1 0 的锥度，锥体比标准的7 ：2 4 锥度短，锥柄部分 采用薄壁结构。h s k 型刀柄在联结时，利用双重定位配合原则，在足够的 拉紧力作用下，h s k 型空心工具锥柄和主轴锥孔在整个锥面之间产生摩擦， 提供封闭结构的径向定位，平面夹紧定位阻止任何轴向窜动，因而具有很 高的联结刚性，在整个速度范围内静态和动态剐度高。铣刀盘和刀柄的结 构示意图如图2 - 6 所示。 第2 章发动机缸体高速铣削工艺研究 1 ：1 d 图2 - 6 铣刀盘和h s k 刀柄示意图 f i g 2 - 6t h es