在鋁合金材料上鉆孔沉卷，可采用干式鉆削化歪〈蚯遥可是在汽車生產(chǎn)中用干式鉆削加工孔宠录，其效率和成本真的比用冷卻液加工更經(jīng)濟嗎?

　　針對這個問題，Daimler Chrysler帘战、Ford Motor祸麸、General Motors三家大汽車公司聯(lián)合了一些供應(yīng)商(如機床供應(yīng)商Gidding或Lewis、刀具供應(yīng)商Kennametal等)成立了一個工作組斑永，以尋求答案椭斜。他們的工作焦點就是開發(fā)在汽車發(fā)動機A-319鋁合金殼體上，在不用冷卻液的情況下蛀埂，用高速鋼鉆頭鉆出高質(zhì)量孔的方法揣煤。工作組規(guī)定了干式鉆孔可行性的經(jīng)濟指標(biāo)為：用一直徑為6mm的高速鋼鉆頭在這種鑄造鋁合金材料上鉆孔，采用3000r/min的轉(zhuǎn)速和每分鐘至少381mm的進給量時盾轮，應(yīng)至少鉆10000個20mm深的盲孔凉适。鉆削時，要求不用增壓的冷卻液澆注切屑糙箍、潤滑刀具和散發(fā)熱量渤愁。這項工作包含了分析、建模倍靡、刀具猴伶、材料和刀具涂層等方面的問題。

　　其中分析又被細分為三個問題：即建立變形的數(shù)學(xué)模型塌西、干式加工與濕式加工的成本對比及對人體健康與安全的影響他挎。

　　由于干式加工比濕式加工會導(dǎo)致工件、刀具溫度升高捡需，這些熱量會影響到鉆頭直徑和冷卻后孔的位置办桨。數(shù)學(xué)模型能夠描述這些影響，還能對如何使孔的質(zhì)量最佳化提供指導(dǎo)站辉。為了幫助工作組實現(xiàn)這個目標(biāo)呢撞，密執(zhí)安大學(xué)開發(fā)了用于評價所選實驗過程的模型。

　　所加工孔的質(zhì)量根據(jù)直徑饰剥、圓柱度和位置精度進行評價殊霞。在測量這些參數(shù)時摧阅，發(fā)現(xiàn)位置誤差對鉆孔的順序很敏感。而零件變形在很大程度上受到夾緊點的位置以及刀具雌褥、切屑之間的摩擦的影響铣啰。

　　通過分析可準(zhǔn)確地知道，干式鉆削將產(chǎn)生有擴大量的知祠、喇叭口形的孔肌搔，鉆頭的熱特性對孔徑和孔形的影響很明顯。而工件材料成甫、切削速度和進給量對孔徑和圓柱度的影響是次要的伪浅。

　　對汽缸蓋零件進行建模以便計算由于干式鉆削產(chǎn)生的熱量所引起的孔的位置誤差。此外著正，要確定傳入工件的熱量惕衩，需要測量鉆削力和扭矩。

　　通常跟蹤8個12mm和16個6.4mm直徑孔的位置侥镀，用有限元分析來量化溫度轉(zhuǎn)移量的變化垫凝。熱循環(huán)從鉆削開始計算至工件冷卻到室溫結(jié)束。

　　工作組確定苦厅，理想的鉆削過程，孔的最大定位誤差應(yīng)在±20μm以內(nèi)关串。對于兩種最壞的情況：工件在夾緊裝置里竄動或采用不合適的鉆孔程序拧廊，孔的最大定位誤差的計算值為±37μm。

　　該數(shù)學(xué)模型表明晋修，由溫度引起的位置誤差與鉆頭位移和跳動誤差相比是很小的吧碾。如果對鉆削過程進行嚴(yán)格控制，模型就能幫助減小因干式鉆削時產(chǎn)生的誤差墓卦。

　　對于干式加工與濕式加工的費用對比倦春，Daimler Chrysler、Ford Motor落剪、General Motors提供了在用與不用冷卻液的情況下在生產(chǎn)線上加工典型發(fā)動機鋁合金缸蓋的數(shù)據(jù)睁本。此項研究表明，與濕式鉆孔比較忠怖，干式鉆孔每件可減少加工費用10％～15%呢堰。此外，如果由于金屬加工產(chǎn)生的微粒濃度從5.0mg/m3減少到0.5mg/m3凡泣，對環(huán)境枉疼、健康和安全方面的費用，節(jié)約還將增加20％～30%谭扑。

　　回收干鋁屑更有利可圖窟句，如1997年濕的鋁渣每磅賣價為0.07～0.23美元办樟，而干鋁屑每磅賣價為1.05美元。干式加工的運營成本也較低吟筷。根據(jù)汽車廠統(tǒng)計疟骤，每年花費在與使用冷卻液相關(guān)的費用大約為35～100萬美元，而干式加工系統(tǒng)是為10～30萬美元巡蛋，并省去了操作和管理冷卻液的人員抡广。

　　機床制造商Horkos公司、日本的Fukuyama公司也分別進行了對濕式加工嚣赤、干式加工和近干式加工相對費用差異的評估公掰。由評估結(jié)果可以看出，干式加工的相關(guān)費用比近干式加工少32%违冲，比濕式加工少69%虏丹，即干式加工比濕式加工和近干式加工有更高的成本效益。從成本構(gòu)成的角度來看略荡，干式加工除節(jié)省買冷卻液的費用外庵佣，還能得到另外一些回報。

　　鉆頭壽命的基本情況與試驗過程

　　工作組試驗了鉆尖的偏移汛兜、冷氣噴射以及不同的鉆頭制造方法巴粪、不同的鉆頭參數(shù)、工件材料和切削速度粥谬、進給量對孔加工的影響肛根。

　　檢測從市場上買到的鉆頭的損壞狀況，找出每根鉆頭在不使用冷卻液的情況下所能加工的孔數(shù)漏策。由Kennametal IPG提供試驗用鉆頭派哲，試驗在Kennametal IPG公司和Ford公司同時進行。Ford公司采用的主軸轉(zhuǎn)速為15000r/min掺喻，Kennametal IPG公司采用的主軸轉(zhuǎn)速為5000r/min和3000r/min芭届。試驗用鉆頭為高速鋼鉆頭(未涂層)，鉆頭直徑為6.75mm感耙，鉆頭全長100mm褂乍。基于試驗結(jié)果抑月，選用具有45°螺旋角搂拴、150°鉆尖角和標(biāo)準(zhǔn)刃帶的鉆頭進行設(shè)計細化和評估測試。

　　為了確定能提高鉆孔數(shù)量的工藝參數(shù)苗鸦，工作組擬定的試驗內(nèi)容包括：(1)工件材料的性能锤勉；(2)鉆頭的制造偏差；(3)鉆頭橫刃修薄和溝槽拋光外羽；(4)較高速度的影響赵街；(5)鉆尖的偏移絮很；(6)冷空氣的影響；(7)車間空氣的影響张庄；(8)設(shè)備改進戚绪；(9)工件供應(yīng)商；(10)刀具涂層拢杠。

　　鉆頭的性能通過鉆孔的數(shù)量來確定曙辛，鉆孔在沒有積屑瘤、崩刃或過分的主軸動力需求的情況下進行舰断，其試驗條件見下表移鸣。

　　表  在尋求改進鉆孔效率時，Kennametal IPG公司采用的切削條件

　　試驗參數(shù)—試驗條件

　　定心鉆頭－鉆頭直徑：4mm谬运，鉆尖角：118°隙赁，孔深：127mm　

　　試驗鉆頭－鉆頭直徑：6.75mm，鉆尖角：145°梆暖，螺旋角：45°伞访，用120#磨料拋光溝槽,標(biāo)準(zhǔn)刃帶

　　孔深-20.3mm(盲孔)

　　轉(zhuǎn)速與進給量－3000r/min，381mm/min

　　冷卻－不用冷卻液轰驳，或用Exair公司的冷卻系統(tǒng)

　　材料－用M&A鑄造廠生產(chǎn)的A-319鋁合金

　　硬度－48±6HBN

　　材料成分－Al：90.18%厚掷，(其它:Si∶5.80%，Cu:3.80%级解，F(xiàn)e:0.01%蝗肪，Ti:0.12%)

　　(1)工件材料的性能

　　經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，干式鉆削對工件性能的變化很敏感蠕趁。在工件材料性能不一致時，要準(zhǔn)確評價鉆頭質(zhì)量辛馆，就應(yīng)重復(fù)進行試驗俺陋，以得出統(tǒng)計結(jié)果。鑄造鋁合金A-319工件硬度的變化昙篙、內(nèi)部磨料含量和氣泡降再，都將影響到鉆頭鉆孔的數(shù)量。試驗中有些鉆頭鉆孔數(shù)是其它鉆頭的2～4倍揖岔。

　　(2)鉆頭的制造誤差

　　從同一批生產(chǎn)的鉆頭中隨機選出8根序峦，定名為J1～J8。試驗這些鉆頭是在3500r/min和381mm/min的切削用量下文荚，并使用導(dǎo)向孔以避免偏移鳍擎，為防止產(chǎn)生積屑瘤，試驗中采用了冷氣噴槍衬械。這樣祷罩，每根鉆頭鉆孔數(shù)在75～453的范圍內(nèi)哺裳。去掉有過大形狀偏差的J6和J8，把這個范圍壓縮到240個孔隔抒。

　　由Ionbond公司所做的鉆頭金相試驗中還可以看到鉆頭制造引起的性能差異：兩根表面無異的鉆頭坛饥，其中一根鉆了23個孔，另一根卻鉆了500個孔课娃。兩根鉆頭的溝槽都有積屑瘤吴澜，在鉆尖附近都有小裂縫。兩者的顯微結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分都相同杖虾，關(guān)鍵的區(qū)別在于兩根鉆頭鉆尖處的硬度：一根低于設(shè)計值9%烂瘫，而另一根低于設(shè)計值19%。然而亏掀，離開尖點100μm的鉆尖處忱反，硬度都達到了設(shè)計要求。進一步分析確定滤愕，不適當(dāng)?shù)牡毒呷心ナ广@尖被軟化温算。這說明正確的鉆尖形狀和刀具材料的最佳物理性能對鉆頭的切削性能有很大影響。

　　(3)鉆頭橫刃修薄和拋光

　　一批鉆頭經(jīng)過附加的橫刃修薄工序间影，增大了其容屑空間注竿，減少了因切屑堵塞導(dǎo)致的鉆頭損壞。另一批帶有同樣的形狀且溝槽拋光使切屑與鉆頭之間有較低的摩擦系數(shù)魂贬。Kennametal IPG公司稱這些拋光鉆頭為“光亮鉆頭”巩割。試驗證明橫刃的修薄比光溝槽更能顯著提高生產(chǎn)率。橫刃修薄的鉆頭在轉(zhuǎn)速為3500r/min和進給量為381mm/min時付燥，使用效果最佳宣谈。

　　(4)較高速度的影響

　　在進給量不變的情況下，速度較高時切削負荷較低段卵，在不用冷卻液的情況下蜈率，可提高鉆孔效率。

　　(5)鉆尖的偏移

　　鉆尖的微小缺陷或主軸的跳動荤榄，都會引起鉆尖小量偏移魔辉。鉆尖在鉆入工件表面之前，如果偏移量足夠大則會造成孔位偏移借倘》О裕孔位偏移使鉆頭上壓力加大，減低了鉆頭壽命枣象。為避免孔位偏移屠剥，通常是用直徑為4mm的鉆頭預(yù)鉆1.27mm深的導(dǎo)向孔。這樣鉆孔數(shù)量可從36個增加到52個舶舅。

　　(6)冷空氣的影響

　　比較兩種形式冷空氣傳輸方法叔三，即通過鉆頭內(nèi)部的冷氣傳輸與用鉆尖附近的外部噴咀直接冷卻缩铸，兩種方法都能減少積屑瘤的生成。當(dāng)鉆孔數(shù)從55個(冷氣通過鉆頭)增加到162個(冷氣直接噴向鉆尖)時硝拧，這個結(jié)果仍與達到鉆10000個孔的目標(biāo)相差很遠径筏。另外，冷氣的成本與更換鉆頭相比障陶，還是很高滋恬。由于采用冷氣沒有顯著地改善鉆頭壽命，因此通過綜合評估后決定不再采用抱究。

　　(7)車間空氣的影響

　　用壓力為63kg/cm2的車間過濾空氣恢氯，通過主軸和鉆頭進行冷卻。試驗材料為Daimler Chrysler汽車公司的A-319鋁合金板鼓寺，鉆頭為直徑6.75mm的高速鋼鉆頭勋拟，主軸轉(zhuǎn)速分別為3000r/min和1500r/min，進給量為381mm/min和5715mm/min妈候。不用空氣冷卻時敢靡，主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，進給量381mm/min苦银，鉆頭在鉆第38個孔時折斷啸胧；用空氣冷卻時，鉆頭在鉆第624個孔時折斷幔虏。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為1500r/min鲫础，進給量為5715mm/min，不用空氣冷卻時奥徒，鉆頭在鉆第23個孔時扭矩超載嫉卵；用空氣冷卻時，延遲到第34個孔時扭矩才超載吐捞。在某些工作狀態(tài)下秉疚，用空氣通過鉆頭冷卻鉆孔是有利的，然而宵穆，采用太低的進給速度，仍達不到本項目的鉆孔目標(biāo)艳院。

　　(8)設(shè)備改進

　　設(shè)備改進包括：主軸轉(zhuǎn)速達到20000r/min糯侍、在鉆頭上附加超聲振動頭、加裝增速主軸頭颠恬、在真空環(huán)境下鉆削洞逼。然而這些措施均未產(chǎn)生令人滿意的效果。

　　(9)工件供應(yīng)商

　　重復(fù)試驗表明憾汛，不同的鑄件供應(yīng)商所提供的同樣毛坯党饮，其物理性能有明顯的不同肝陪，這對鉆削生產(chǎn)效率有極大影響。盡管采取一些控制措施刑顺，但對不同材料供應(yīng)商所提供的毛坯氯窍，能鉆的孔數(shù)仍然可能相差3～4倍。在鉆頭遇到孔洞蹲堂、夾雜和硬度變化時狼讨，會產(chǎn)生額外的應(yīng)力和變形，對處于工作載荷下的鉆頭十分不利柒竞。因此政供，確保供應(yīng)商的鑄件質(zhì)量和鋁合金內(nèi)部的材料成分，是采用優(yōu)化鉆頭達到高效鉆孔的基礎(chǔ)朽基。

　　(10)刀具涂層　

　　在工作組的試驗程序中布隔，干式加工時采用也具涂層是獲得高生產(chǎn)率最有效的手段。相比之下稼虎，不涂層鉆頭壽命很短衅檀，在磨損前，很少能鉆25個孔以上子桩。最有前途的涂層是物理涂層杖烘，類金剛石涂層只用于鉆尖、刀具前面奄刊，而不是整個溝槽表面于抬。試驗時，將橫刃修薄饱粟、有正常刃帶元邻、帶45°螺旋角、150°鉆尖角掖阶、尖部經(jīng)過PVD涂層的鉆頭與市場上12根其它相同結(jié)構(gòu)(未經(jīng)橫刃修薄而采用不同涂層)的鉆頭進行比較咒付。切削用量為：主軸轉(zhuǎn)速3500r/min，進給量381mm/min炮疲。試驗結(jié)果表明枷斩，采用局部PVD金剛石涂層的鉆頭可鉆4892個孔，效果極佳虎叔。最終鉆頭的損壞都是由于磨損而不是切屑的堵塞或粘結(jié)所造成味测。

　　基于上述試驗結(jié)果，仍然采用前述幾何形狀(橫刃修薄铺坞、正常刃帶的起宽、帶45°螺旋角、150°鉆尖角、尖部經(jīng)過PVD涂層)的鉆頭坯沪，工作組確定將切削用量調(diào)整為：主軸轉(zhuǎn)速4000r/min绿映，進給量381mm/min，力爭達到能鉆8000個孔腐晾，目標(biāo)為10000個孔叉弦。在此項目進行中加工了大量的孔，可是沒有出現(xiàn)上限的目標(biāo)值赴魁。采用不同轉(zhuǎn)速和進給量的試驗結(jié)果表明卸奉，如果轉(zhuǎn)速從3000r/min提高到4000r/min，鉆孔數(shù)可能會增加颖御。若將刀刃進一步處理榄棵，仍然有可能100%達到這個目標(biāo)。很明顯潘拱，在A-319鋁合金板上采用干式鉆削工藝疹鳄，要使它在汽車生產(chǎn)中成為經(jīng)濟上切實可行的方法尚不夠成熟。然而唠芋，工作組所做的大量和嚴(yán)格的試驗摹钳，顯然已為采用這種先進的工藝奠定了很好的基礎(chǔ)，也明確了進一步改進的方向拧淘，因此疲席，該工藝達到經(jīng)濟可行性已為期不遠。

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