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[其他] AEB平衡轴全车削打刀问题探析

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发表于 2015-9-26 04:40:10 | 显示全部楼层 |阅读模式

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AEB平衡轴材料是法国标致-雪铁龙集团的一种专用铸铁材料,在其加工中针对毛坯材料、工艺、刀具及切削参数以及工装方面展开分析,有针对性的提出改进措施,可有效保证AEB机加线毛坯国产化的实施。
        在神龙AEB平衡轴项目工业化及国产化工作中,新设备调试由KD毛坯垂直转产,进行国产毛坯加工。在OP20全车削工序加工中,打刀异常频繁,粗车平衡轴颈及平衡块外圆刀具破损严重。调试生产1个月内,刀具破损20余把,生产节拍大大延长,由3 min/件延长到4.3 min/件,阻碍了平衡轴项目整体的工业化进度。
        加工内容
        1. 工件材料
        AEB平衡轴材料为球铁,牌号GSB2,是法国标致-雪铁龙集团的一种专用铸铁材料,其性能指如表1所示。
        2. 工艺安排
        OP20序是对平衡轴进行全车削,加工要求如图1所示。采用8把刀车削,完成粗、精加工,其中T1、T12、T2和T7为粗车,平均余量为:外圆2mm(单边),端面3mm;T6、T3、T4和T5为精车,平均余量为0.2mm,一次走刀完成。OP20工序属断续切削加工,轴颈部位要求相对较高,后序进行淬火后磨削、抛光,直径分级后进行配瓦装配,工序设计节拍为3min/件。
       

AEB平衡轴全车削打刀问题探析

AEB平衡轴全车削打刀问题探析

        3. 加工过程
        加工时,工件左右两端分别由头顶尖和尾顶尖顶紧,以中心孔定位,3个卡爪夹紧,按预定转速旋转,刀塔自动旋转选刀,依次按先粗后精顺序,完成零件全车削加工内容。以T2、T7刀具加工路线为例,零件正常装夹后旋转,依次选刀T2、T7,快取工件,再以攻进速度对轴颈及平衡块外圆、端面进行走刀加工,完成粗加工余量切除后退刀。
        打刀原因分析
        1. 材料分析
        AEB平衡轴材料为球铁,内部石墨细小、圆整,分布均匀,有较高机械性能和良好铸造性能。组织中石墨的形状、大小及数量对铸铁性能起着重要影响,加工时可起到一定润滑作用,有利于切削加工性能。
        根据实际情况,我们对KD毛坯与国产毛坯加工情况进行对比,发现国产毛坯切削加工性能大幅降低,加工异常。我们对异常国产毛坯送样检查并进行了分析。
       

AEB平衡轴全车削打刀问题探析

AEB平衡轴全车削打刀问题探析

        图2  反白口组织(100 X)

        在硬度方面,实测平均值为HB309,高于要求值(HB241-285)上限。通常,工件材料硬度越低,均匀性越好,更有利于切削加工。切削加工时,刀具所承受的切削力会更小,产生的切削热也相对较少,刀具的磨损程度将大幅降低,刀具耐用度会相应提高。跟踪实际情况(刀具寿命普遍低,粗车刀寿命只能达到25件/刃),对比KD毛坯加工刀具寿命(50件/刃,异常磨损明显),故降低毛坯硬度是改善国产毛坯切削加工性的首要任务。
        分析材料的显微组织,其基体组织中珠光体≥85%,游离渗碳体≤2%。实际送样基体组织为珠光体(P)+莱氏体(Ld)+渗碳体(Fe3C),芯部存在较多反白口组织(见图2)。分析基体组织特性,莱氏体(Ld)与渗碳体力学性能相似,硬度很高,塑性极差,几乎为零。
        由此可见,零件内部反白口组织是其硬度超高的主要原因。通常,反白口组织本身具有很高的硬度和脆性,很难进行切削加工。其组织形成主要有两方面原因:首先是铁水化学成分不合理,影响较大的元素有碳、硅、锰及硫等,当碳、硅含量偏低时,容易出现白口组织;锰含量高时不但容易出现白口组织,而且会产生严重的偏析,使其力学性能下降;硫含量高时则极易因硫的严重偏析产生反白口组织。其次,在铸造过程中,冷却速度、冷却工艺和冷却形式也是影响铸件基体组织的重要因素,化学成分相同的铁液,冷却速度快,石墨化能力下降,易形成白口。因此,合理控制毛坯材质,改善毛坯基体组织是后续工作的主要方向。
       

AEB平衡轴全车削打刀问题探析

AEB平衡轴全车削打刀问题探析

        2. 工艺系统误差分析
        我们将国产毛坯与KD毛坯尺寸进行对比,毛坯轴向、径向尺寸公差要求在2 mm左右, KD毛坯一般稳定控制在公差偏下,国产毛坯在公差偏上。错模量要求0.7mm(Maxi),KD毛坯控制正常,国产毛坯实际控制在0.9mm左右,超差,使国产毛坯加工余量普遍偏大约1mm,周向余量不均,增大了切削的不稳定性,产生更大切削冲击力,不利于毛坯切削。因此,合理控制国产毛坯尺寸,是改善本工序毛坯加工的又一方向。
       

AEB平衡轴全车削打刀问题探析

AEB平衡轴全车削打刀问题探析

        3.刀具破损分析
        进行刀具破损分析。在金属切削过程中,通常将刀具还未达到磨钝标准,甚至尚未产生明显磨损时,就丧失切削能力的非正常损坏,称为“刀具的破损”。按其在切削过程中发生的时期,可分为早期破损和后期破损。切削高硬度材料或对脆性较大的材料进行断续切削时,常出现早期破损。在切削加工一定时间后,刀具因疲劳等原因将产生后期破损。早期破损比后期破损对正常切削影响更大,按其破损性质可分为塑性破损和脆性破损。常见的塑性破损是卷刃、刀尖塌陷。当使用如硬质合金或陶瓷刀具这样硬度高、脆性大的刀具材料进行切削加工时,刀具上常出现崩刀、碎裂、断裂、剥落和裂纹现象,使刀具产生脆性破损。
        综合OP20工序实际加工情况及刀具破损形式,在国产毛坯初期,多属早期刀具脆性破损。毛坯及刀具切削条件改善后,后期国产毛坯加工中刀具破损形式,基本属于后期刀具脆性破损。
        引起其刀具脆性破损的主要原因有:
        (1)断续切削 因平衡轴部分结构几何形状不规则和不均匀,使刀具切削时带有断续性。加工中,当刀具快切出工件时,切屑后无支承,剪切面将转向加工面下,形成负剪切角,使工件切出端出现倒角现象。由于剪切面方向改变,使刀具上应力分布状态发生很大变化。刀具内应力区扩大,最大拉应力更接近切削刃处,较正常切削时增大,刀具内的最大剪应力也很大。这种应力状态对刀具十分不利,刀具在切出时很容易产生刃口剥落。因使用硬质合金刀具硬度高、脆性大,毛坯材质不均匀,故易引起刀具脆性破损。
       

AEB平衡轴全车削打刀问题探析

AEB平衡轴全车削打刀问题探析

        图5  XF1489(OP20)节拍调整跟踪数据

        另外,断续切削时,因刀具受变载荷作用,降低了刀具材料的疲劳强度,而且载荷循环次数增加,刀具材料的疲劳强度将显著降低。因此,在较长时间的断续切削后,容易引起机械疲劳裂纹。
        再者,断续切削时,由于存在切削和空切的交替变化,使刀具表面温度发生周期性变化。刀具表面受拉、压应力交替作用,导致刀具产生热裂现象。冷却和加热温差越大,刀具材料的导热系数越低,越易引起裂纹。当裂纹多到一定程度时,可能互相连接起来,使切削刃破损,也可能引起应力集中,在机械冲击下出现断裂破损。
        (2)刀具角度对脆性破损的影响 加工时,刀具切削部分在切削力作用下,前刀面一定区域内受拉应力,而在后刀面内受压应力。当拉应力超过刀具材料的抗拉强度时,就会使刀具切削部分中最薄弱的地方产生裂纹或断裂而破损。随着前角的减小,压应力区扩大,而拉应力区则缩小。如果刀具采用负前角,则全部成为压应力区。所以较小的前角或负前角(若后角一定,即楔角加大),能提高刀具的抗破损能力。刀尖圆弧半径对脆性破损影响也很大,特别是对硬质合金等脆性大的材料的刀具。刀尖圆弧半径过小,则由于切削力的作用,易产生崩刀或碎裂;若刀尖圆弧过大,容易引起振动,也易导致崩刀或碎裂,所以刀尖圆弧半径必须适当。
        (3)切削用量对脆性破损的影响 切削用量对刀具切削部分的应力状态有影响,以切削厚度对应力状态影响最大。当切削厚度小时,冲击载荷小,而且应力集中在切削刃附近,刀具接触长度短,主要是压应力。随着切削厚度增加,冲击载荷加大,刀屑接触长度变长,使拉应力区和拉应力值加大。在切削厚度一定时,进给量和切削速度的选择,还必须考虑零件在粗加工及断续切削中,机床、刀具及工件系统的刚性和强度,通常进给量的选择必须乘以一个安全系数,约为正常值的75%~85%。否则,过大的进给量和切削速度将产生更大的切削力及冲击载荷,更易使刀具发生脆性破损。
       

AEB平衡轴全车削打刀问题探析

AEB平衡轴全车削打刀问题探析

        (4)断续切削切入切出条件的影响 切入时,切入类型和刀具几何角度变化改变了切入冲击力的大小和方向,影响到刀具内部应力场。因工件材料硬度大,不同刀具切入类型,切屑厚度不同,厚度越大,产生的切入冲击力也越大,从而导致刀具破损。刀具切出时,大致表现为三种形式(见图3),主要取决于切出角大小。当切出角较小时(见图3a),切削厚度在切出过程中不断减小, 最后切出时厚度为零。
        当切出角α在50°~120°区间内(见图3b), 刀刃接近工件切出端时,工件上形成了一个延伸到切削加工面以下的负剪切,并形成F型切屑。当切出角α较大时(见图3c),工件切出端弯曲形成毛刺,但切屑正常。其中,图3a和图3c切出时刀具安全,而图3b形式切出时,刀具产生破损,且破损域与负剪切的发生域重合,并随着负剪切长度的增大而加重。当负剪切出现后,正剪切停止,切屑在前刀面停止流动,此时摩擦角为零,即切削合力的作用方向与切削速度方向重合,且前刀面上的分布力向刀尖集中。切出过程及切出前刃区应力分析表明:产生负剪切时,刀体内应力场急剧恶化。因此,尽管产生负剪切时切削力要比切出前小,但由于切削力作用方向的改变,使得刃区应力场严重恶化,从而导致刀具切出破损,这是刀具产生破损的根本原因。
        4.工装夹具进行分析
        通常,在零件加工过程中,零件夹具是否正确、可靠,对保证零件加工精度、提高劳动生产率和减轻工人劳动强度等都有直接影响。因此,必须确保夹紧过程中,工件受夹紧力作用时,不破坏工件既定位置;夹紧力大小适当,保证工件加工中不因受外力作用而产生移动或振动,不允许工件产生变形或损伤,夹紧稳定、可靠。
        OP20工序全车削平衡轴夹紧定位时,分别以一固定顶尖和一浮动顶尖配合工件两端中心孔进行定位,使用独立可调三爪卡盘自动液压夹紧,夹紧卡爪为直槽花键齿软爪(见图4改进前),此方式为轴类零件加工中夹紧定位常用方式,定位准确、可靠。因本工序实际加工打刀时,偶尔还伴有卡爪“烧伤”现象,说明夹具的夹紧状态并不可靠。卡爪作为卡盘直接给工件施加夹紧力的零件,其结构形式、尺寸和材质对卡盘的精度、刚度和极限转速等均有直接影响。本工序卡爪采用直槽花键齿软爪,在断续切削中,由于零件的周向载荷和冲击力都非常大,夹紧要求相对更高,而软爪的强度和疲劳性都较差,很容易产生疲劳和受力变形,严重时会出现工件“打滑”、卡爪“烧伤”现象,致夹紧失效,加工不稳定,产生刀具异常
        破损。
        改进措施
        通过以上分析,我们对国产毛坯、工艺安排、刀具及工装夹具拟订对策,采取措施进行改进。
        1.毛坯改善
        首先,加强铸造时的温度控制,提高炉前Si含量。产品铸造采用全壳模铸造生产,对铸件保温效果较好。通过分析试验,将炉前Si含量由1.10%~1.20%,调整提升到1.50%~1.60%,改善铸造时孕育不足,石墨化程度差,芯部形成反白口组织倾向,保证了铸件材质的均匀性,降低毛坯硬度。
        其次,加强毛坯外形尺寸调整控制,控制加工余量。修整、更换模具,调整平衡轴毛坯轴向及径向尺寸控制范围,使毛坯尺寸按中下偏差控制。调整上下模具错模量,保证在产品要求范围内,确保毛坯周向尺寸均匀性,减少加工中对刀具的切削力及冲击力。
        第三,改善刀具切入切出条件。通过对毛坯铸造模具修调,增加毛坯平衡块断续切削切入切出处45°倒角(见图4),使切入时切削力逐渐变大,减小切入冲击。避开毛坯切出角α在50°~120°区间,避免产生切削时切出负剪切现象。
        2. 刀具改进
        第一,调整刀具参数。分别对刀尖圆角半径为R0.6mm、R0.8mm和R1.2mm的负前角刀片进行切削试验,分析刀具磨损及受力,选取T2、T7刀具的最佳刀尖圆角半径为R0.8mm。调整T5刀片厚度,由2mm改为5mm。
        第二,调整切削加工参数。根据断续切削条件,采用理论切削参数的75%~85%进行试切。使T2、T7刀具切削速度由(100~120)m/min,调整为90m/min;进给量由(0.35~0.4)mm/r调整为0.27mm/r,较好地满足了工序加工要求。
        第三,规范刀具寿命管理。通过跟踪,我们分别对相关刀具、刀辅具的使用寿命管理进行规范化,确定合理换刀频次,有效避免了刀具后期异常疲劳脆性破损,保证了加工正常。
        3. 优化卡爪结构
        从改善卡爪夹紧时摩擦力及卡爪强度着手,我们改变3卡爪结构,由直槽花键齿结构改为断续直槽花键齿结构,减小卡爪与工件表面夹紧时的接触面积。将软爪淬硬,采用强度和硬度较高的硬爪结构,提高卡爪的夹紧力及抵抗更大周向载荷和切削力冲击产生变形的能力,改善夹紧效果。
        改善效果
        1.工序节拍
        通过多次节拍调整,其中3次节拍数据记录情况如图5所示。使加工节拍由4.3min/件降到了3min/件,满足了设计节拍要求,保证了工序能力。
        2. 刀具寿命
        通过不断优化调整,刀具寿命得到大幅提升,普遍提高约2~3倍。跟踪记录相关数据显示,大大降低了刀具消耗成本,总体实现年工时及刀具降成本38万余元,保证了AEB平衡轴加工正常进行。
        结语
        本文针对AEB平衡轴国产毛坯全车削时,出现的刀具异常破损、节拍延长等问题,从毛坯材料、工艺过程、刀具参数及工装夹具等方面进行剖析,拟定对策并实施改善。在保证设备生产能力,降低刀具消耗成本,提高产品质量方面,都取得了明显效果,对今后加工同类零件有一定的参考、借鉴意义。
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