哈爾濱中天數(shù)控工具有限責(zé)任公司
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圖1 圓角加工
高速干式切削技術(shù)應(yīng)用于鍛鋼曲軸加工中的精車主軸工序，充分發(fā)揮了簡(jiǎn)易數(shù)控車和涂層硬質(zhì)合金刀片的性能，取得了良好的加工效果，提升了產(chǎn)能，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
隨著國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)鍛鋼曲軸的需求越來越大，迫切需要各個(gè)生產(chǎn)線迅速提升產(chǎn)能滿足客戶需求，其中機(jī)加線及其數(shù)控設(shè)備是產(chǎn)能提升的重點(diǎn)。我公司在曲軸精車主軸工序采用了高速干式切削技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了提升產(chǎn)能、節(jié)約成本的良好效益。
高速干式切削技術(shù)的優(yōu)越性
在曲軸加工的各個(gè)工序中，精車主軸工序是銜接粗加工和精加工的紐帶，它不僅可以精確控制曲軸側(cè)臺(tái)、R角及軸向和徑向尺寸，還可以減少精磨主軸CBN砂輪磨耗，減少精磨的加工成本及精磨的單支節(jié)拍，是曲軸加工的關(guān)鍵工序之一，我們?cè)诖斯ば蛑胁捎昧烁咚俑墒角邢骷夹g(shù)。
在我公司的實(shí)際應(yīng)用中，與中速濕式加工相比，高速干式切削的主要優(yōu)點(diǎn)如下：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)金屬切除量顯著提高，切削速度由102m/min提升到180m/min，縮短工時(shí)244s，刀片壽命降低7.6%，切削液成本節(jié)省10%～12%；加工精度高，保證工藝要求D±0.02mm，表面粗糙度好；通過調(diào)整切削力，克服了振動(dòng)引起的抗力，有利于加工軸頸尺寸大、質(zhì)量大的曲軸；激振頻率高，切削平穩(wěn)，基本上消除了高頻和低頻振刀，刀片崩刃機(jī)率下降了70%，表面殘余應(yīng)力??；節(jié)省了切削液使用及維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)避免了切削液對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人體的危害。
高速干式切削的技術(shù)要求
鍛鋼曲軸屬于難加工材料，其具有強(qiáng)度高（650MPa<σb<900MPa）、硬度大（200
1．對(duì)機(jī)床的技術(shù)要求
數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速切削的首要條件和前提保障，曲軸加工不同于其他工件加工，有時(shí)轉(zhuǎn)速可以達(dá)到每分鐘幾千轉(zhuǎn)。通常加工曲軸的設(shè)備應(yīng)具備導(dǎo)軌、頂尖和轉(zhuǎn)塔剛性好、回轉(zhuǎn)精度高以及可提供足夠的轉(zhuǎn)矩。這些因素是保證機(jī)床對(duì)曲軸這類特殊工件進(jìn)行高速切削的基本要求，這也是采購(gòu)機(jī)床時(shí)特別需要注意的要求。
2.對(duì)刀具性能的技術(shù)要求
高速切削時(shí)刀具的失效形式主要是磨損和破碎，刀具要分別按照磨鈍標(biāo)準(zhǔn)和破碎壽命選擇切削用量來確定刀具壽命。
通過多年與刀具廠家共同試驗(yàn)，我們對(duì)涂層硬質(zhì)合金刀具性能要求總結(jié)如下：
(1)選擇合適的涂層技術(shù)
采用MT-CVD+HT-CVD復(fù)合涂層技術(shù)的刀具綜合了多種涂層材料的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)良的熱硬性、高溫韌性和耐磨性，能有效解決高速干式切削合金鋼刀具使用壽命低的難題。
(2)足夠的硬度和韌性
高速切削時(shí)，刀具承受的切削力大，要求刀具材料的硬度至少為工件材料硬度的3倍以上，一般涂層刀片硬度大于HRA89.0，經(jīng)表面強(qiáng)韌處理的復(fù)合涂層顯微硬度達(dá)2 600HV。如果片面追求高硬度刀具材料，易引起刀片崩刃，刀具材料必須要有足夠高的韌性。
(3)熱化學(xué)穩(wěn)定性好
干式切削的高溫能加劇刀具材料與曲軸材料的化學(xué)親和性和材料間組成元素的擴(kuò)散、溶解，其中的Al2O3涂層在切削過程中形成的惰性保護(hù)膜能起到抗氧化和耐擴(kuò)散磨損的作用，特別是α-Al2O3能在高溫下能保持良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，從而延長(zhǎng)刀具壽命。
(4)低摩擦系數(shù)
表面TiN涂層能代替切削液的潤(rùn)滑作用，降低刀—屑、刀—工件摩擦產(chǎn)生的切削熱，同時(shí)提高了刀具的耐用度。另外，斷屑器的形狀也是影響切削溫度的因素之一。刀—屑接觸時(shí)間長(zhǎng)，切削溫度升高快，切削刃易鈍化。
3.對(duì)加工工藝的技術(shù)要求
曲軸作為一種特殊形狀的細(xì)長(zhǎng)軸（L/D≈9），頂尖壓力過大會(huì)造成曲軸彎曲，高速切削過程中能產(chǎn)生很大的慣性離心力，振刀現(xiàn)象在所難免，因此，必須對(duì)切削參數(shù)、刀具角度、機(jī)床性能與曲軸材質(zhì)進(jìn)行合理搭配，才能解決數(shù)控車振刀問題，保證各個(gè)尺寸滿足工藝要求。
(1) 工藝參數(shù)的合理安排
解決振刀問題是實(shí)現(xiàn)高速切削的前提。眾所周知，數(shù)控車振刀與主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和背吃刀量密切相關(guān)。通過主切削力、進(jìn)給力和背向力對(duì)振刀的影響進(jìn)行比較（如表1），我們發(fā)現(xiàn)：切削過程中必須提供足夠的切削力才能克服振動(dòng)引起的抗力，保證刀具進(jìn)行平穩(wěn)切削。
表1 切削力對(duì)振刀的影響
具體的切削用量因曲軸材質(zhì)、形狀等因素有關(guān)差距很大，在此不做贅述。
振刀問題解決后，為充分發(fā)揮精車淬火前曲軸的加工效率，同時(shí)避免精車淬火后曲軸發(fā)生再生顫振，影響精磨主軸磨削效率，需對(duì)粗車主軸、精車淬火前主軸、精車（或半精磨）淬火后主軸的加工余量進(jìn)行合理分配。余量的選擇因產(chǎn)品材質(zhì)、機(jī)床精度及軸的跳動(dòng)而異。常按倒推法計(jì)算：好不好眼霜瘦身霜排行榜祛痘廠房網(wǎng)去皺洗甲水哪種好化妝水眼霜哪個(gè)牌子好
精車淬火后主軸頸加工余量為：精車后四主跳動(dòng)量+刀紋深度×2+A（A=0.2～0.5 mm）；
精車淬火前主軸頸加工余量為：淬火后四主跳動(dòng)量+刀紋深度×2+A（A=0.2～0.5 mm）。
(2) 刀具參數(shù)的合理選擇
高速切削過程中選擇恰當(dāng)?shù)牡毒邘缀螀?shù)，可以使更多的切削熱被切屑帶走。一般需注意以下幾點(diǎn)：①結(jié)合干式切削技術(shù)要求，高速切削選用比常規(guī)刀具略大的正前角可以獲得鋒利、強(qiáng)韌的切削刃，以減少前刀面與切屑的摩擦。一般選γ0=12°～15°，鑒于彌補(bǔ)大前角對(duì)切削刃的強(qiáng)度的削弱，刀片需要刃口強(qiáng)化，主要強(qiáng)化形式是鈍圓刃和后刀面刃磨負(fù)倒棱，倒棱寬度約0.1～0.3mm。因材質(zhì)不同，倒棱寬度與曲軸硬度成反比。鍛鋼曲軸一般不對(duì)前刃進(jìn)行倒棱。②后角的選擇主要考慮減少工件與后刀面的摩擦。③較大的負(fù)刃傾角可增強(qiáng)刀頭的強(qiáng)度，提高切削刃的抗沖擊能力，一般選擇λs=5°～8°。④根據(jù)曲軸材質(zhì)和切削用量選擇合適的斷屑器，刀—屑接觸長(zhǎng)度能直接影響切削的摩擦狀況，適當(dāng)增加摩擦力可有效抑制振動(dòng)。
(3) 圓角加工工藝
由于粗車主軸機(jī)床加工精度低，為保證軸向尺寸，側(cè)臺(tái)和R角的加工余量比軸頸的余量略大（如圖1所示）。當(dāng)車刀快速進(jìn)給到R角區(qū)域時(shí)，側(cè)臺(tái)余量每增加0.01mm，背吃刀量就相應(yīng)增加1.2倍，切削力增大3倍，導(dǎo)致切削刃破損，尤其是加工材質(zhì)較硬及淬火后的曲軸材料時(shí)。因此，最直接的解決辦法是盡可能地減少粗車主軸側(cè)臺(tái)的加工余量或者在精車主軸頸前對(duì)側(cè)臺(tái)首切。在單支加工節(jié)拍允許的情況下，可適當(dāng)降低切削速度和進(jìn)給量，這樣可以保持高速進(jìn)給時(shí)切削的平穩(wěn)性，刀片崩碎的機(jī)率可降低45% 。從刀具的材質(zhì)上考慮，可以選擇韌性好的刀具材料，崩刃現(xiàn)象可得到明顯改觀，刀片壽命可提高30%。
表2 加工過程中出現(xiàn)嚴(yán)重振刀的曲軸不平衡量測(cè)定值
?。?）振刀控制
曲軸的振刀形式主要有兩種，一種是由高頻振動(dòng)引起的鱗狀振紋，另一種是由低頻振動(dòng)引起的螺紋狀振紋。高頻振刀出現(xiàn)的位置具有隨機(jī)性，對(duì)精車主軸工序影響不大，而低頻振刀常出現(xiàn)在二、三、四主軸頸的一側(cè)或者兩側(cè)，嚴(yán)重的低頻振刀可能會(huì)產(chǎn)生廢品，因此必須加以解決。數(shù)控車振刀不是簡(jiǎn)單的因?yàn)槟骋粋€(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題而造成，它是由多個(gè)因素共同作用形成的，每個(gè)主要問題如不能得到有效解決都會(huì)引起振刀，因此需要對(duì)振動(dòng)原因進(jìn)行整體分析，將問題逐一解決。
以下幾方面需特別注意：
①不平衡量超差。主軸高速旋轉(zhuǎn)過程中，不平衡量產(chǎn)生的交變應(yīng)力能導(dǎo)致離心力振動(dòng)波紋紊亂，引起嚴(yán)重的低頻振刀。表2為加工過程中出現(xiàn)嚴(yán)重振刀的曲軸不平衡量測(cè)定值。如果出現(xiàn)此情況應(yīng)及時(shí)調(diào)整中心孔專機(jī)，保證動(dòng)平衡量不超差。
?、谡{(diào)整刀尖高度。加工較軟的曲軸材質(zhì)時(shí)，刀尖應(yīng)略低于中心線，當(dāng)曲軸材質(zhì)較硬時(shí)刀尖應(yīng)略高于中心線，具體降低或提高刀尖高度還要根據(jù)后角負(fù)倒棱的寬度及后刀面的磨損情況來定。
避免頂尖應(yīng)力集中。當(dāng)機(jī)床進(jìn)入高速切削狀態(tài)，重力、切削力、離心力及不平衡量產(chǎn)生的交變應(yīng)力會(huì)集中到頂尖上，其合力的反作用力能使曲軸彎曲變形、跳動(dòng)超差。一般會(huì)在靠近頂尖的軸頸上產(chǎn)生嚴(yán)重振刀。針對(duì)此現(xiàn)象，可通過減小頂尖的伸長(zhǎng)量、調(diào)整頂尖壓力值及增強(qiáng)頂尖的抗振強(qiáng)度來解決上述問題。
?、墼黾涌拐褡枘帷Ｇ邢鬟^程中，振動(dòng)的產(chǎn)生能量通過導(dǎo)軌、刀臺(tái)傳遞給刀尖，一旦有振動(dòng)趨勢(shì)，機(jī)床的其他振動(dòng)能量會(huì)迅速傳遞給振動(dòng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化成有害的振動(dòng)能量，引起嚴(yán)重的低頻振刀，通過實(shí)驗(yàn)高性能減震墊塊能有效的吸收振動(dòng)能量，同時(shí)，還能得到很好的表面粗糙度。
圖2 刀柄的選擇
?、艿侗倪x擇。由于平衡鐵的存在，需要將刀桿伸出刀臺(tái)50～80mm。對(duì)于重切削難加工工序，選擇剛性好的刀柄能提供足夠的穩(wěn)定性、平衡切削流并延長(zhǎng)刀具壽命，這意味著外圓車削時(shí)可采用高的切削參數(shù)。通過上壓式（剛性?shī)A緊）、杠桿式和楔塊式三種夾緊方式（見圖2）的使用效果發(fā)現(xiàn)：由于切削熱的影響，楔塊式的圓柱銷受熱產(chǎn)生變形使刀片和刀墊不能很好的貼緊。同樣，杠桿式的夾緊力矩不容易控制，過大或者過小也會(huì)導(dǎo)致刀片和刀墊不能很好地貼緊，這兩種夾緊方式在高速進(jìn)給時(shí)都易產(chǎn)生崩刃。上壓式刀柄夾緊力大、夾緊可靠且定位面積大載荷分散抗沖擊性強(qiáng)，因此上壓式刀柄是重切削加工工序的首選。
結(jié)語
我們進(jìn)行的高速干式切削試驗(yàn)在多個(gè)生產(chǎn)線上通過了批量檢驗(yàn)，其軸頸尺寸、粗糙度及跳動(dòng)量均符合工藝要求，并且機(jī)床和刀具的合理選擇達(dá)到了較高的性價(jià)比。實(shí)際運(yùn)行也證明，通過在曲軸精車主軸工序采用高速干式切削技術(shù)，我公司鍛鋼曲軸的產(chǎn)能由原來的7.5支/h提升為10.6支/h，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)能提升、節(jié)約成本的目的。
來源：中國(guó)刀具商務(wù)網(wǎng)
