軸承圈切斷刀具開發(fā)

羅利軍

株洲歐科億數(shù)控精密刀具股份有限公司 湖南株洲 412008

1 序言

軸承圈是滾動軸承的重要零部件，軸承圈毛坯質量的好壞、生產效率的高低將對軸承產品的質量、性能、壽命及企業(yè)的經濟效益產生重要的影響。毛坯質量的大?。òǔ尚头绞剑Q定軸承材料的利用率，同時毛坯尺寸的精度直接影響后續(xù)的車削、磨削精度和效率。根據(jù)各企業(yè)所加工產品品種及批量的不同，軸承圈毛坯的制造方式主要有鍛造成型、管料和板料切削加工等方式[1]。

本文所講的軸承圈毛坯采用鋼管切斷的加工方式，使用自主開發(fā)的專用機床進行加工。此軸承圈為直徑相對較小的產品，對生產效率及材料損耗率要求較高，因此希望設計一種新型刀具，能夠降低生產成本，提高生產效率。

2 原軸承圈加工方案及存在問題

2.1 加工方案

軸承圈所使用的材料是GCr15、100Cr6等軸承鋼。改進前加工所使用的刀具如圖1所示，刃寬為1.5mm，厚度為6mm，刀片采用磨削而成。所使用的刀桿采用上壓板壓緊，刀桿采用右手形式，刀尖高度為25mm，刀桿寬度也是25mm。目前所使用刀具每個刃口可以切削加工軸承圈1000～1500個，切削參數(shù)為轉速1250r/min、進給量0.1mm/r。

圖1 改進前加工用刀具

改進前加工所使用的機床為針對軸承圈加工自主設計生產的專用機床，如圖2所示，左側為機床主軸，機床有左右兩個夾頭。鋼管從右側夾頭伸入，右夾頭夾緊工件，往左送料至左側夾頭夾緊，右夾頭松開并退出，完成自動送料過程。右夾頭鎖緊，機床主軸旋轉，刀具進刀完成切斷過程。切斷的零件在左夾頭里，當機床送料機構（見圖3）重復此過程時，利用毛坯將成品工件推出機床主軸。

圖2 專用機床

圖3 機床送料機構

切斷加工中，刀片寬度一定，刀片越長剛性越差[2]。軸承加工中軸承圈種類繁多，軸承圈的直徑以及壁厚均不一樣，軸承圈的壁厚越大要求刀具長度越長。對于軸承切斷來說刀片寬度越窄越節(jié)省材料。我們做了刀片寬度對加工軸承圈數(shù)量影響的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，以一根3.5m長的鋼管為例，統(tǒng)計結果見表1。

表1 刀片寬度對加工數(shù)量的影響

由表1可以看出，當軸承圈寬度為15mm時，刀片寬度小0.1mm，相同鋼管可以多加工1個零件（提升0.5%），當軸承圈寬度為12mm時，刀片寬度小0.1mm，相同鋼管可以多加工2個零件（提升0.7%）。由此可見，刀片寬度越小越好，可以節(jié)省更多的材料，但如果刀片過窄就會嚴重影響刀片的強度，在加工過程中容易造成刀具斷刀。因此，在實際生產中要綜合考慮這兩方面的因素。

2.2 存在問題

經過分析，原加工方案存在以下幾個問題。

1）刀片為全磨制刀片，全磨制刀片的刃口為直線刃口，切削加工時整個刃口在一條直線上同時參與切削，切屑與刀片寬度一致，因此在切削深度相對較大時不容易排屑，而且切屑與加工表面擠壓會產生刺耳的噪聲。

2）加工過程中切削阻力大，尤其是在加大進給時表現(xiàn)得更為明顯。切削阻力大容易使工件產生振動，發(fā)生嚴重的偏斜（見圖4），平面度超差；切削阻力嚴重時還會導致刀片崩刃。

3）刀片寬度為1.5mm，加工時材料浪費較大，刀片寬度可以進一步減小。

圖4 加工時工件產生偏斜

3 第一次改進方案

3.1 方案設計

針對原加工方案存在的問題進行分析，如果設計新刀片，則必須保證刀片的強度。刀片強度不夠在進給加大的情況下容易產生工件偏斜，同時刀片容易斷刀。由于刀片寬度要盡可能窄，因此要增強刀片強度可以從刀片厚度上做一些補償。初步設計改變刀片槽型，將刃口直線切削刃改為曲線刃，如圖5所示。切削刃兩側高于中間部位，這樣設計的優(yōu)勢在于：①切削時刀片不是整個切削刃同時切入工件，切入時更輕快。②切削使切屑產生一個內凹的變形，理論上切屑的寬度略小于切削刃的寬度，在切削深度較大時切屑比較容易排出。

圖5 曲線刃口設計

初步設計刀具采用切斷刀的夾緊方式，刀片定位采用V形槽設計（見圖6）。這種夾緊方式的優(yōu)點是結構比較簡單，刀片用料更少，可以從刀片材料上降低刀具成本，但是這種結構也存在一定的不足，就是刀片夾持力較小，僅靠刀體本身的彈性變形來鎖緊刀片，因此在切削時存在不穩(wěn)定性。另外刀片靠V形槽定位面小，刀具在橫向走刀時容易產生晃動，造成刀具崩刃[3]。

圖6 第一次改進刀具

針對此，設計制作了刀具并進行了試加工，試加工過程中主要注意兩點，一點是曲線刃口刀片槽型在切削時是否能夠更好地卷屑及排屑；另一點是傳統(tǒng)切斷刀片V形定位的刀具結構在做切斷時是否可行。

3.2 方案測試

改進前刀具可加工零件數(shù)量為1000～1500，第一次改進刀具可加工零件數(shù)量為1500。從測試結果來看，改進刀片與原刀片使用性能相近，但通過對整個切削加工過程的對比來看，新刀具方案有一定的優(yōu)勢。新方案的優(yōu)勢：①切削加工時切削力明顯小于原刀具，主要體現(xiàn)在切削過程比較輕快，不存在振刀現(xiàn)象，切削聲音明顯比原方案小。②切屑的形狀與之前預期基本相符，切屑對比如圖7所示，新刀片切屑呈內凹形狀，切屑寬度比原用刀片切屑窄0.03mm，并且切屑卷曲更緊密一些，這更有利于切屑的排出。但是新方案也存在一定的不足，主要有：①刀片夾持方式不理想，因為刀片寬度小，所以刀片裝夾難度大，裝刀時容易裝偏。②在進給量大時夾持力不夠，刀片容易松動，從而導致刀片崩刃。③刀體窄，為片狀結構，刀體剛性不足。④由于工件直徑小、轉速高、進給量大，所以一旦刀片失效，刀體會直接接觸工件，導致刀體直接報廢。

圖7 新方案切屑（左）與原方案切屑（右）

3.3 結果分析

總結分析第一次刀具改進方案的優(yōu)缺點，可以得出以下兩點。

1）改進刀具的槽型結構符合方案預期，具有較好的切削性能，后續(xù)刀具方案可以使用該結構。

2）刀片夾緊方式以及刀具結構需要改進，需要加強刀具夾持的穩(wěn)定性，以保證切削過程的穩(wěn)定。

4 第二次改進方案

4.1 刀具設計

通過第一次刀具改進方案的測試及分析后，重新設計了刀片及刀具的結構。刀片改進方案如圖8所示，刃口采取第一次方案的曲線刃口形式，保持切削刃的鋒利性及切屑的卷曲變形，以利于切屑的排出；刀片采取中置對稱結構設計，這種結構設計可以減少刀片在壓制成形及燒結過程中的變形，這種結構的刀片可以通過直接壓制成形，刃寬達到1.4mm。在刀片與刀具夾緊方式上采用了復合壓緊方式，中心采用偏心銷的偏心變形將刀片固定在定位槽上，再利用壓板從刀片上部壓緊，從而使刀片與刀體之間的連接穩(wěn)定可靠，以保證在大的進給時能夠保持刀片的穩(wěn)定性；加厚了刀片，厚度達到6mm，這樣的刀體設計使刀片切削刃部分懸空時還能保持足夠的強度。刀具結構如圖9所示。

圖8 第二次改進方案刀片

圖9 刀具結構

4.2 方案測試

應用最新設計的刀具進行了加工測試，加工軸承圈材料為100Cr6，軸承圈直徑35.6mm，壁厚3.4mm。測試的切削參數(shù)為轉速1250r/min、進給量0.13mm/r。整個測試過程切削輕快，切屑卷曲且排出比較順暢。

改進前刀具最多可加工零件數(shù)量1500件，第二次刀具方案加工零件數(shù)量2500件，刀具壽命相比改進前提升67%；同時進給量提升到0.13mm/r，相比改進前0.1mm/r切削時間理論上縮短了30%。由于刀具夾持剛性提升，因此在進給量加大的情況下仍然保持了良好的切削性能，加工產品的平面度及表面粗糙度均有明顯改善。

5 結束語

通過兩次測試，結果證明，在軸承圈切斷時我公司開發(fā)的1.4mm槽刀片無論在排屑、刀具壽命還是加工產品品質上比原用刀片均有了明顯的提升。由于我公司刀片槽型及刀具結構的改進，在切槽加工時可以實現(xiàn)更大的進給，有效提升了加工效率和可靠性。刀具尺寸做得更小，降低了材料成本。下一步我公司將進一步優(yōu)化生產方案，減小刀片寬度，將刀片寬度做到1.2mm，同時通過磨削的方式將寬度做到1.0m m甚至0.8m m，進一步提升加工效率。