鋁合金輪轂螺栓孔成形階梯鉆設(shè)計(jì)及切削試驗(yàn)

鋁合金輪轂是車(chē)輛的重要安全件，輪轂的螺栓孔則是其直接聯(lián)接部分，故對(duì)螺栓孔的精度及表面粗糙度都有極高的加工要求。由于輪轂螺栓孔的形式特點(diǎn)，因此原本加工時(shí)涉及到鉆、擴(kuò)及锪等多個(gè)工序，多次加工導(dǎo)致生產(chǎn)效率低。鋁合金輪轂螺栓孔成形階梯鉆不僅滿足螺栓孔的精度要求，而且能提高其加工效率。結(jié)合鋁合金輪轂螺栓孔的加工特點(diǎn)，介紹了其刀具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證此類(lèi)刀具的性能。

1 序言

近年來(lái)，汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展越來(lái)越迅猛，作為汽車(chē)部件之一的輪轂，其形式也日新月異。一般輪轂材料選用黑色金屬，隨著技術(shù)的進(jìn)步，鋁合金以其較高的比強(qiáng)度和比剛度成為汽車(chē)輕量化的首選材料。目前鋁合金輪轂鑄造工藝之一為低壓鑄造，需遵循順序凝固原則，即重要部位先凝固，冒口部位后凝固，保證重要部位不產(chǎn)生缺陷，性能能夠滿足要求。此工藝使其重要部分的內(nèi)部組織較為致密，機(jī)械性能較好。本文所述螺栓孔處在輪轂的重要部位，其金屬切削加工難度高于其他部分。

輪轂螺栓孔的形式分為錐形和碗形。在車(chē)輛行駛過(guò)程中，輪轂承受著汽車(chē)的重力及行駛過(guò)程中的滾動(dòng)阻力，相應(yīng)的車(chē)輪螺栓及車(chē)輪螺母也承受這些力。這些力構(gòu)成了螺栓及螺母的交變循環(huán)應(yīng)力。精確的螺栓孔尺寸能夠使輪轂與輪轂螺母成為線接觸，提高其與輪轂螺母對(duì)摩擦力的承受能力，從而保證車(chē)輛行駛中的安全[1]。本文涉及的螺栓孔形式為錐形，其剖面如圖1所示。

圖1 錐形螺栓孔剖面

2  成形階梯鉆設(shè)計(jì)

2.1 刀具的形式

根據(jù)鋁合金的材料加工特性，加工輪轂螺栓孔刀具的切削刃材料將選用硬質(zhì)合金。此次輪轂螺栓孔為錐形孔，刀具最大有效外徑Dmax=36mm，最小有效外徑Dmin=15mm，刀具規(guī)格為D15mm×D31.5mm×165mm×D36mm?？紤]加工成本等因素，刀具采用焊接形式，刀具柄部材料選用40Cr。焊接形式的刀具能滿足鋁合金輪轂螺栓孔的刀具性能要求及加工成本要求。本文中設(shè)計(jì)的鋁合金輪轂螺栓孔成形階梯鉆具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

a）側(cè)面

b）正面

圖2 刀具結(jié)構(gòu)

2.2 刀具切削刃材料的選擇

由圖2可知，此類(lèi)成形刀具在加工過(guò)程中，因各切削刃切削能力及所受力方向不一致，加工時(shí)刀具易產(chǎn)生振動(dòng)，加工表面產(chǎn)生振紋，甚至使刀具崩刃。故本次設(shè)計(jì)的刀具，其刃部采用細(xì)晶粒硬質(zhì)合金，與傳統(tǒng)硬質(zhì)合金相比，可以將刃尖厚度縮小46%，刃口鋒利度大幅提高[2]。對(duì)WC粒度分布進(jìn)行特殊控制。相比傳統(tǒng)材料，既可維持硬度，又能保證韌性，在耐蝕性和抗崩性方面有所提高。切削刃材料成分及物理性能見(jiàn)表1。

表1 切削刃材料成分及物理性能

2.3 刀具的芯部形式

鋁合金材料加工時(shí)的排屑是否順暢決定了刀具的使用壽命。當(dāng)排屑受阻時(shí)，切削刃處的加工溫度升高，鋁合金與刀具切削刃粘連，導(dǎo)致加工表面粗糙度差、刀具磨損加劇。芯厚是鉆頭剛性的決定性因素，芯厚越大，刀具加工時(shí)越穩(wěn)定。刀具排屑空間與其剛性互相制約。