自制套料鉆解決端面環(huán)形深窄槽加工難題

解亞波，韓利萍，申 浩，何李鑫，張艷文，何德勝

(山西航天清華裝備有限責(zé)任公司,山西 長治 046012)

0 引言

端面具有環(huán)形深窄槽型結(jié)構(gòu)的零件廣泛應(yīng)用于航空航天和車輛機(jī)械等領(lǐng)域。此類零件在加工過程中，采用傳統(tǒng)車削或銑削工藝時，當(dāng)加工深度受到刀具有效切削長度限制時，由于加工區(qū)域太窄、切削阻力大、排屑不暢、散熱效果差、刀具剛性弱易損壞等因素導(dǎo)致加工難度較大，加工質(zhì)量難以保證，生產(chǎn)效率低，嚴(yán)重制約生產(chǎn)進(jìn)度，因此對此類零件進(jìn)行工藝創(chuàng)新性研究具有極大的意義和應(yīng)用價值。本文在使用自制套料鉆替代傳統(tǒng)車削和銑削加工方法的基礎(chǔ)上，綜合考慮刀具在切削加工過程中的影響，針對性地采取有效措施，確保了產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率提升和刀具成本降低。

1 零件工藝分析

1.1 零件結(jié)構(gòu)

某零件(如圖1所示)為奧氏體不銹鋼1Gr18Ni9Ti材質(zhì)，毛坯為Φ72 mm×100 mm圓鋼。在零件端面Φ43.5 mm位置有一處端面深槽，槽寬11 mm，槽深50 mm，槽深與槽寬之比將近5∶1，屬于典型的深窄槽。

圖1 某零件結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 加工難點分析

該零件加工難點有：

(1) 1Gr18Ni9Ti為奧氏體不銹鋼，由于其韌性和抗拉強度都較高，因此在切削時塑性變形大，產(chǎn)生的切屑易粘結(jié)，不易折斷，導(dǎo)致被加工表面在切削過程中不斷硬化，每一次切削層都會產(chǎn)生加工硬化，經(jīng)過層層累積，材料在切削過程中的硬度越來越高，切削力也隨之越來越大；同時硬化層的產(chǎn)生和切削力的升高導(dǎo)致刀具與工件之間的摩擦力增大，切削溫度隨之升高；并且由于不銹鋼材料導(dǎo)熱性差，大量的切削熱集中在刀具與工件之間，導(dǎo)致了刀具磨損嚴(yán)重，刀具壽命低，加工表面質(zhì)量差。

(2) 刀具懸伸過長產(chǎn)生切削振動現(xiàn)象。車削加工時采用標(biāo)準(zhǔn)Φ10 mm立銑刀，如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)Φ10 mm立銑刀刀具長度為75 mm，若要滿足切削深度為50 mm的深槽加工需求，夾持部分只能小于25 mm。但在實際加工過程中，刀具夾持部分過短會產(chǎn)生撓曲力造成刀具偏擺，甚至掉刀；同時刀具懸伸越長，切削力和切削振動增大，刀具磨損加劇，表面質(zhì)量下降。因此，銑削加工時，生產(chǎn)現(xiàn)場目前通用的標(biāo)準(zhǔn)7字型端面切槽車刀MGFVR32030/50T18(如圖3所示)最大切入深度為20 mm，顯然無法滿足使用要求，必須定制加長型刀具。而在使用加長刀具時，受懸伸太長的影響導(dǎo)致刀具剛性降低，在實際切削過程中，為了避免切削力過大產(chǎn)生振動現(xiàn)象，只能采用微量切削，導(dǎo)致加工效率極低。

圖2 Φ10 mm立銑刀 圖3 7字型端面切槽車刀

(3) 傳統(tǒng)加工切削軌跡長，加工效率低。采用銑削加工時，由于槽窄、銑削空間狹小，常常推薦螺旋銑削方式。如圖4所示，螺旋銑削具有靈活的運動特性，可以實現(xiàn)低切削力,并能降低刀具磨損，提高表面質(zhì)量，在淺孔加工時，切屑容易排出。但在該零件的加工中，當(dāng)加工深度超過刀具有效切削刃長度時，切屑會在深槽內(nèi)堆積，并與刀具柄部發(fā)生摩擦產(chǎn)生大量的熱，對刀具發(fā)生二次傷害，嚴(yán)重時會引起災(zāi)難性折斷。而采用車削加工時，通常選用端面切槽刀加工，為保證窄槽內(nèi)排屑順暢，常常推薦使用分層微量車削(如圖5所示),但車削效率極低。

圖4 螺旋銑削方式 圖5 分層微量車削方式

2 工藝解決方案

通過對該零件材料的特性(抗拉強度和切削性能)、加工要素(端面窄深環(huán)形槽)構(gòu)成和現(xiàn)有加工方案(定制加長端面槽刀分層車削和立銑刀螺旋線銑削)進(jìn)行分析研究，提出使用自制套料鉆鉆削加工替代傳統(tǒng)車削和銑削的解決方法。

2.1 套料鉆結(jié)構(gòu)特點

(1) 如圖6所示，套料鉆由刀柄本體、切削刀片和緊固螺釘組成。套料鉆結(jié)構(gòu)與U鉆結(jié)構(gòu)相似，不同之處在于U鉆使用周邊刀片和中心刀片；套料鉆因為不需要過中心切削，只需要兩處周邊刀片即可。從切削角度上看，其加工原理與機(jī)夾車刀加工外圓和內(nèi)孔相似，刀片磨損后無需重磨，直接更換刀片即可。

(2) 套料鉆結(jié)構(gòu)剛性好，加工環(huán)形槽時，滿足飽和加工狀態(tài)，屬于一次成型加工，加工效率高。

(3) 套料鉆在加工不同材料時，只需要更換同類型不同牌號的刀片即可。

2.2 套料鉆刀片選擇

(1) 選擇切削刀片時，先確定合適的刀片尺寸，已知環(huán)形槽寬度為11 mm，刀片在刀桿上安裝應(yīng)預(yù)留一定的定位面厚度，以2 mm計，11 mm-2 mm=9 mm，所以刀片的切削面投影寬度應(yīng)小于9 mm,即刀片的切削刃長度應(yīng)小于9 mm。

(2) 在滿足切削性能的前提下，合理選擇刀片的形狀，盡量選擇通用性較高的同一刀片上切削刃數(shù)較多的刀片。

(3) 根據(jù)工件的切削性能選擇合適的刀片材質(zhì)。

根據(jù)以上要求，經(jīng)過研究、分析和對比，最終選擇使用牌號為山特維克880-0402W04H-P-GM4334刀片。

2.3 確定刀片安裝角度和位置

使用CAD設(shè)計刀桿模型并確定刀片在刀桿上的安裝角度和安裝位置，如圖6所示，套料鉆刀片是標(biāo)準(zhǔn)矩形刀片，刀尖角度為90°。在設(shè)計刀片的安裝角度時，應(yīng)將外側(cè)刀片旋轉(zhuǎn)-1.5°，內(nèi)側(cè)刀片旋轉(zhuǎn)+1.5°。這種設(shè)計的目的有以下幾點：

圖6 套料鉆結(jié)構(gòu)示意圖

(1) 將切削平面上的主偏角小于90°，這樣使得主切削刃上的單位長度負(fù)荷減輕，軸向切削力減小，從而在鉆削時可以選擇更大的進(jìn)給速度，提高生產(chǎn)效率。

(2) 可以控制切屑的流向，使切屑向刀具方向流出，避免切屑與工件發(fā)生擠壓。

(3) 可以起到引導(dǎo)減震作用，當(dāng)主偏角小于90°時，刀片內(nèi)側(cè)刀尖高于主切削刃，此時刀片切削的過程是一個由點到線的漸進(jìn)過程，一方面起到一個定心引導(dǎo)作用，另一方面，此時刀具的切削力也是一個線性提高的過程，避免了切削力驟然升高引起刀具震顫的現(xiàn)象。

確認(rèn)刀片安裝角度后，再根據(jù)環(huán)形槽的大小分別確定內(nèi)側(cè)刀片和外側(cè)刀片的安裝位置，以此來保證環(huán)形槽的尺寸。

2.4 套料鉆制作工序安排

套料鉆制作工序見表1。

表1 套料鉆制作工序

2.5 改進(jìn)前后加工效率對比

工藝改進(jìn)前后加工效率對比如表2所示。針對案例中選擇的零件加工刀具試驗數(shù)據(jù)，通過對表2中數(shù)據(jù)分析可知，使用端面槽刀車削的加工時間為23 min，使用立銑刀螺旋銑削的加工時間是15.6 min，使用套料鉆鉆削的加工時間是1.66 min，后者的加工效率是端面槽刀車削加工的13倍，是立銑刀螺旋銑削加工的9倍，所以使用套料鉆鉆削可以大大提高產(chǎn)品的加工效率。

表2 工藝改進(jìn)前后加工效率對比

3 結(jié)語

通過采用自制套料鉆鉆削的加工方式替代傳統(tǒng)車削和銑削，解決了傳統(tǒng)加工方法在加工深窄端面環(huán)形槽時加工效率低、刀具壽命低的問題。采用新的加工方法后，加工效率提升，刀具成本降低，使生產(chǎn)效率成倍提升，生產(chǎn)成本大幅降低。