缸盖回油孔高效断屑刀具的设计及运用

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编者按

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针对缸盖回油孔加工切屑易卡在缸盖腔体缝隙中的问题，创新性设计了一种高效断屑刀具。通过取消 原有刀具上多余的内冷孔、优化端面切削刃形式和刃口上开分屑槽及断屑槽等措施，将原先“钻—镗”两个工 步合并为一个工步，减少加工过程中的换刀时间，提升加工效率，并使得切屑变得更细小，减少了卡屑风险。

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序言

发动机缸盖腔体内布满了进排气道、气门导 管、挺杆和主油道等多种腔体和孔系结构。如何避 免加工时切屑卡在缸盖腔体缝隙内，对提升产品质 量有重要意义。

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加工存在的问题

缸盖底部有3个回油孔，其作用是将缸盖中的低 压润滑油与缸体油腔连通。加工工艺是先采用整体 硬质合金麻花钻预钻，然后使用焊接有聚晶金刚石 的两刃镗刀进行精加工（见图1）。

  a）整硬麻花钻钻孔加工

 b）两刃镗刀镗孔加工

 图1　钻、镗加工示意

预钻后工件尺寸是 Φ 15.5 mm，镗削后工件尺 寸是 Φ （16±0.2）mm（见图2），该工艺存在以下 问题。

1）回油孔底部与油腔相交处形成破孔。钻头两 切削刃受力不平衡，同时钻尖失去定心作用，易造 成扎刀，使刀具折断。

2）由于麻花钻螺旋形排屑槽和主切削刃上不同直径处线速度不同的影响，会产生螺旋状的切屑 [1] 。 该切屑有一定的弹性，容易卡在回油孔和油腔体的 缝隙中（见图3）。发动机运行过程中，切屑可能被 循环的润滑油冲洗脱落并堵住油道，造成发动机无 法润滑，甚至运动副咬死。

3）原工艺需要2把刀具粗加工、精加工才能完成，而加工中心刀库1次换刀仅需要3s就可以完成 [2] ，2次换刀生产节拍较长。

图2　钻、镗工序尺寸

图3　卡在缸盖腔体中的切屑和刀具对比

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解决措施

通常解决油腔缝隙中易卡屑及破孔处刀具径向 受力不平衡、易折断的问题有如下措施。

1）针对易卡屑的技术问题，可减少刀具转速， 增大进给速度，加剧切屑的弯曲应变程度，来促使 切屑折断。但该方法会加剧破孔处刀具径向的受力 不平衡，增加刀具折断的风险。

2）采用清洗机高压清洗液喷头对准卡屑的缸盖 腔体缝隙定点进行冲洗。但切屑经过冷作硬化后， 强度较高，卡入缝隙后，切屑像卡簧一样撑在缝隙 内，高压冲洗的压力不足以将切屑冲走。

3）采用啄钻的加工策略，即每加工一小段距离 后短暂退刀。切削刃与加工表面短暂脱离，达到断 屑效果。但该方案生产效率较低，且被挤压成团的 短切屑还会卡在缝隙中，改善效果并不明显。

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刀具创新

针对上述问题，设计了一种加工缸盖回油孔的 高效断屑刀具，其创新点如下。

1）设计一侧切削刃过中心的两刃平头钻，直接 加工回油孔，代替原有先钻后镗的加工方案，即用1 把刀具代替原有2把刀具，减少了1次换刀时间（见 图4）。

     图4　高效断屑刀具加工示意

2）将原有镗刀对称、沿刀具轴向横截面相等 的排屑槽结构优化为不对称结构，且较短切削刃一 侧的排屑槽截面相等，较长切削刃一侧的排屑槽截 面逐渐减小。刀具在加工过程中相当于1根悬臂梁。

刀具的变截面梯度设计，既能保证刀具的刚性，又 能保证当刀具加工孔深逐渐增加时良好的排屑性能 （见图5、图6）。

a）二维

b）实物

图 5　原刀 具

a）二维

b）实物

图6　优化后刀具

3）在镗刀圆角处增加不对称的分屑槽，达到减 小切屑的目的。受缸盖回油孔孔底台阶圆弧过渡的 产品结构限制，刀尖圆弧较大。在切削过程中刀尖 圆弧处的切屑薄、宽度大，切削挤压变形严重，排 屑方向不规律容易引起排屑不畅 [3] 。通过不对称的 分屑槽使得宽切屑变为窄切屑，更容易排屑。

4）利用激光在刀片前刀面，距离刃口0.3mm处 烧蚀出断屑槽。断屑槽的长度分别与切削刃长度相 适应（见图7）。断屑槽加剧切屑变形，使得切屑更 容易折断。

a ）短断屑 槽

b）长断屑槽

图7　断屑槽示意

5）由于原工艺先钻后镗，镗刀的加工余量小， 排屑要求并不高。考虑到新工艺平头钻排屑压力较 大，可适当加长排屑槽的长度，同时将原金刚石镗 刀的转速由10000r/min改为15000r/min，由恒定进给 速度2500mm/min改为孔口定心段900mm/min，之后 加速至2000mm/min。

      

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结束语

该刀具优化后，切屑细碎，缸盖腔体缝隙残留 切屑的现象大大减少。由于减少了原工艺预钻的硬 质合金钻头，因此单机生产节拍降低5s，刀具成本 每年可下降30万元。

参考文献：

[1] 薛飞，黄忠，黄迪. 金属切削过程模拟技术在缸体AF240工序刀具耐用度提升的运用[J]. 金属加工（冷 加工），2022（8）：10-15.

[2] 薛飞. 发动机缸体三刃钻优化解决刀柄粘屑质量隐 患[J]. 汽车工艺师，2021（11）：14-16.

[3] 原北京第一通用机械厂. 机械工人切削手册[M]. 8 版. 北京：机械工业出版社，2019.

本文发表于《金属加工（冷加工）》2023 年第3期 64 ~66,70 页，作者：   上汽大众汽车有限公司   王鸣，薛飞，王其龙，王冬，王康辉，戈光福，沈钰承 ，原标题： 《 缸盖回油孔高效断屑刀具的设计及运用 》。

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