新型組合式斷屑刀具在曲軸沉孔加工中的應(yīng)用

覃明龍

摘 要：為減少加工過程中造成的不斷屑問題，本文通過對用于形狀復(fù)雜的曲軸沉孔鉆削加工的刀具結(jié)構(gòu)研究，發(fā)現(xiàn)采用一種新型組合式帶斷屑槽的刀具，可有效解決不斷屑問題，提高生產(chǎn)效率，降低刀具成本。

關(guān)鍵詞：曲軸 沉孔 斷屑槽 斷屑

1 曲軸加工刀具使用現(xiàn)狀與問題

在曲軸制造過程中，通常面臨復(fù)雜的法蘭端沉孔結(jié)構(gòu)，而且多為盲孔加工。為減少加工節(jié)拍，目前國內(nèi)外發(fā)動機工廠通常使用一體式成形刀具，將多個不同直徑階梯及帶倒角的沉孔，進行一次性加工。此類成形刀具的材質(zhì)通常采用整體硬質(zhì)合金，成本較高，并且在第2或第3階梯無法修磨斷屑槽，易導(dǎo)致韌性較高的鍛鋼曲軸無法有效斷屑，堆積造成機床加工倉堵塞，影響生產(chǎn)效率，已成為鍛鋼曲軸量產(chǎn)的瓶頸和重大技術(shù)難關(guān)。

2 原因與解決方案分析

針對不斷屑問題，對刀具和鐵屑結(jié)構(gòu)進行分析，主要在刀具的第2階梯刃口不斷屑，見圖1，進而導(dǎo)致在鉆削加工過程中，無法有效斷屑，導(dǎo)致長鐵屑的產(chǎn)生，加速刀具的磨損，影響零件加工質(zhì)量，造成機床加工倉內(nèi)部堵塞，影響生產(chǎn)效率。

方案一，提高鉆削加工進給參數(shù)。其主要通過增大切屑的厚度，由于厚度變大，鐵屑內(nèi)外層的變形差變大，通過這種變形差別，可以引起切屑卷曲。當(dāng)切屑卷曲半徑達到一定值時，切屑底層受到的張應(yīng)力也相應(yīng)增大，而當(dāng)超過切屑的斷裂極限時，則切屑折斷，斷屑形成。但是，在考慮刀具加工壽命和成本上，提高鉆削加工進給參數(shù)，在一定程度上，加速刀具刃口的磨損，刀具壽命也相應(yīng)減弱，刀具符合率降低，最終導(dǎo)致刀具成本升高。 對于大批量生產(chǎn)的工廠，更側(cè)重成本上的控制。因此，該方案不采納。

方案二，通過優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)方式，解決不斷屑問題，即在原來刀具上修磨相應(yīng)的斷屑槽，但是目前的刀具由整體硬質(zhì)合金修磨而成，一方面，第2階梯切削刃無斷屑槽，無法斷屑，另一方面，由于刀具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無空余的位置留與砂輪進行修磨，易導(dǎo)致砂輪修磨時會與刀體發(fā)生干涉，無法在第2階梯上修磨斷屑槽，存在結(jié)構(gòu)上無法彌補的缺陷，因此，該方案不采納。

方案三，從刀具結(jié)構(gòu)分析，采用一種新型組合式斷屑刀具，由模塊化鉆尖、刀體和帶斷屑槽刀片組成，見圖2和圖3。主要通過刀片預(yù)制作的斷屑槽對鐵屑進行斷屑，其中模塊化鉆尖材質(zhì)是硬質(zhì)合金，鉆尖通過特殊旋轉(zhuǎn)的方式安裝到刀體上;第2和3階梯的刀片是可更換式可轉(zhuǎn)刃刀片，且預(yù)修磨斷屑槽后，再通過螺栓擰緊方式安裝到刀體上;刀體采用調(diào)質(zhì)鋼材質(zhì)，仿形加工排屑槽，帶中央內(nèi)冷孔，保證加工冷卻響應(yīng)及時性。因此，該方案可嘗試。

3 方案效果驗證

通過以上方案分析，按方案三驗證，采用此新型組合式斷屑刀具代替原來的整體硬質(zhì)合金鉆頭加工，安裝新刀片，調(diào)整刀具跳動，保證節(jié)拍，按原加工參數(shù)加工，按正常加工1+5+50件驗證，鐵屑均可有效斷屑，而且鐵屑長度從原來的60mm縮短到5mm以內(nèi)。斷屑效果明顯，這將是對新型斷屑刀具最好的詮釋。

除此之外，在設(shè)備上，相比之前的整體合金鉆頭加工方案，開動率提高50%，有效地解決了不斷屑導(dǎo)致的加工倉堵塞問題;在加工質(zhì)量上，降低鐵屑不斷導(dǎo)致的系列質(zhì)量風(fēng)險，大大降低返修和報廢率。從刀具成本上，兩種刀具成本比較，新型組合式斷屑刀具單件刀具成本降低近30%，這無疑到達了降本增效的效果。這也證明了方案三的可行性與有效性。

4 新型組合式斷屑刀具切屑斷屑原理

與舊刀具相比，新型組合式斷屑刀具自帶斷屑槽刀片，其有效切屑斷屑關(guān)鍵在于斷屑槽相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化，金屬材料加工過程中會產(chǎn)生大量切屑，切屑控制不良直接影響員工人身安全，降低產(chǎn)品質(zhì)量，損壞夾具，降低刀具壽命，增加輔助節(jié)拍等。目前，刀片預(yù)制的斷屑槽作為最常用的方法控制切屑使鐵屑得以有效折斷，其斷屑原理是由于金屬材料在加工過程中出現(xiàn)硬化作用，切屑工件時會受沖擊和擠壓變形，會產(chǎn)生應(yīng)變量，當(dāng)應(yīng)變量大于或等于材料的斷裂應(yīng)變，最終形成切斷，到達斷屑目的。

在金屬切削過程中，斷屑槽的槽型、前角、寬度、刃口高度、斜角、凸臺、底角、槽底圓弧半徑等在切屑過程中的也會對斷屑起到不同的作用，通常根據(jù)不同的加工要求，通過優(yōu)化各個幾何要數(shù)，可以實現(xiàn)可靠的斷屑。其中，斷屑槽的槽型來說，其曲率越小，切屑的卷曲半徑變小，切屑變形會相應(yīng)加大，越容易折斷。斷屑槽的前角也是一個比較重要參數(shù)，當(dāng)前角很大時，意味著槽型的卷曲半徑越小，切屑彎曲力增大，切屑容易折斷;斷屑槽的寬度越小，切屑的卷曲半徑越小，切屑彎曲力增大，切屑容易折斷;斷屑槽的刃口高度越低，可加大切屑變形，加大斷屑趨勢;斷屑槽的斜角，一般采用外斜式斷屑槽的斷屑效果較好;斷屑槽的凸臺離切削刃較近，則凸臺起到斷屑效果更明顯;斷屑槽的底角較小時，切屑的卷曲半徑也相應(yīng)變小，切屑容易折斷;斷屑槽的槽底圓弧半徑較小時，切屑的卷曲半徑相應(yīng)變小，切屑變形增大，容易產(chǎn)生折斷。當(dāng)然各種幾何參數(shù)優(yōu)化，更重要在于何種切屑工況，在復(fù)雜加工工況下，則綜合考慮各個幾何參數(shù)之間的配合。

5 新型組合式斷屑刀具的創(chuàng)新點

第一，無需修磨。新型組合式斷屑刀具由模塊化鉆尖、刀體和帶斷屑槽刀片組合而成，模塊化鉆尖和刀片為易損部件，使用一定壽命后更換;相比整體硬質(zhì)合金階梯鉆，在加工到壽命后，必須返回刀具廠進行修磨刃口，才能到達反復(fù)利用的效果，刀具平均可修磨4次/支，中間存在增加修磨成本問題，以及修磨后的加工性能是否能與新刀保持一致的問題。新型組合式斷屑刀具，無需修磨，直接換新鉆尖和刀片即可，不存在這類問題，

第二，成本較低。新型組合式斷屑刀具體材料為調(diào)質(zhì)鋼，僅鉆尖部分為硬質(zhì)合金，制造成本低;相比整體硬質(zhì)合金階梯鉆，毫無疑問，就是整個刀體材質(zhì)都是硬質(zhì)合金，而新型組合式斷屑刀具的鉆尖采用的是模塊化鉆頭，制造成本明顯降低。同時，模塊化鉆頭，采用高精數(shù)控設(shè)備加工，制造質(zhì)量的一致性也可以的得到有效的保證。

第三，更換方便。新型組合式斷屑刀具的刀片，使用螺釘?shù)染o固件，安裝到刀體上，便于更換，提高刀片更換效率;

第四，可修磨斷屑槽。新型組合式斷屑刀具的刀片，通過粉末冶金技術(shù)，預(yù)先制作好斷屑槽后，再安裝到刀體上，解決了整體式刀具由于砂輪干涉無法修磨斷屑槽的難題，起到良好的斷屑效果。

第五，刀片利用率高。新型組合式斷屑刀具的刀片采用”C”型刀片，呈菱形狀，開有4個斷屑槽，提高了刀片的利用率，有效的降低刀具成本。

6 結(jié)語

采用組合式斷屑刀具加工鍛鋼曲軸沉孔方案，能夠保證獲得良好的斷屑效果，對于后期新線新產(chǎn)品加工形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的沉孔項目來說不失為一個可行的低成本方案，同時，為刀具選型方面，提供了很好的經(jīng)驗，從而達到提高生產(chǎn)效率和降低刀具成本的目的。

參考文獻：

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