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[分享] 实现零部件高精加工的新型面铣刀

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发表于 2015-10-7 19:34:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
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实现零部件高精加工的新型面铣刀

实现零部件高精加工的新型面铣刀

        发动机面铣工艺要求非常严格,但对刀具来说,需要解决的加工问题主要包括:加工的实际尺寸高度、加工的表面粗糙度、被加工表面的纹路以及加工的表面亮度。株钻公司经过多年的经验积累和总结,推出适合高精加工的新型面铣刀,取得了极好的加工效果。
        2010年,中国的整车产销量突破1 800万辆,成为全球第一大汽车产销市场。虽然中国汽车市场商机无限,且国产刀具的发展取得了长足的进步,但高端加工场合依然为国外先进刀具所占据。高端市场的刀具不但消耗量大,且附加值高、利润高。同时,完整的配套方案不仅体现了刀具制造商的水平,也是一种强大的“软实力”,具有很强的社会效益。
        汽车行业刀具种类繁多,其中,发动机缸体、缸盖粗精面铣刀是加工汽车发动机的主要刀具之一,其用量大、利润相对较高。研发项目组经过几年的技术积累、传承与不懈努力,在刀具结构设计和制造工艺方面具备了雄厚的资料技术实力。针对铸铁因性价比高、容易加工,并在一定时间内仍将主导汽车市场的现状,株洲钻石切削刀具股份有限公司(以下简称“株钻”)从客户需求出发,不断改善工艺参数,延长刀具寿命,为用户提供可实现高精加工的新型面铣刀。
       

实现零部件高精加工的新型面铣刀

实现零部件高精加工的新型面铣刀

        图2  两种槽形切削刀片

        具体来说,发动机的面铣工艺要求很严格,但对刀具来说,需要解决的问题只有四点:加工的实际尺寸高度;加工的表面粗糙度;被加工表面的纹路和加工的表面亮度。就目前国内外市场对硬质合金刀具使用的参数来看,国外参数明显高于国内市场的平均使用参数,但国内一些新型的刀具使用参数已经和国外持平,结合国内的毛坯制造水平,新刀具的基本要求为:100m/min≤Vc≤400m/min ,Ap≤5mm ,0.08mm/r≤Fz≤0.4 mm/r。在面铣刀具寿命判定方面,不同汽车零部件厂的标准各不相同,但其对生产节拍的要求是一样的。就面铣工艺而言,判定依据主要包括:粗糙度检测,即使用专门的粗糙度检测仪,或粗糙度样板(用手触摸加工零件表面,感觉表面粗糙度程度,然后与标准样板对比);零件表面掉边、掉渣,或起毛刺;零件表面起黑点,表面纹路不整齐。根据判定标准,可能存在刀片还不到普通的判废寿命标准,就被认为该刀片寿命不能达到实际使用要求的情况。因此,在解决实际问题时,一定要了解换刀原因,即每家公司的换刀标准。
        在精密面铣刀具的研发方面,我们确定了具体的技术路线(见图1)。针对工艺及参数的要求,我们认为关键技术在于:刀盘结构、切削刀片结构和修光刃技术。下面结合具体的试验进行详细阐述。
       

实现零部件高精加工的新型面铣刀

实现零部件高精加工的新型面铣刀

        刀盘的结构
        鉴于加工要求和机床性能不同,刀盘的结构也有所差异,粗加工刀盘可以通过提高刀片及刀盘的精度来满足汽车行业的高要求。精加工刀具一直是技术的制高点,但各企业仍有各自的应对方法。概括来说,可将刀盘结构大致归为三类:第一类,刀盘全齿可调,搭配样式灵活,可全部装切削刀片,也可全部装修光刀片,还可混装切削刀片与修光刀片,具体搭配方式可视表面质量和进给要求调整,其多见于铝合金加工刀盘;第二类,刀盘上切削刀片不可调,修光刃刀片可调,切削时由修光刀片保证表面质量,此种多见于铸铁加工刀盘;第三类,全齿都不可调,长的修光刀片与切削刀片可通装,但修光刀片高出切削刀片约0.05 mm,一般进给时装一片修光刀片,高进给时装多片刀片。其通用性较强,P类、M类及K类加工均可使用。
        不同的刀盘结构,其具备的特点和优势也不相同。具体来说,第一类刀盘主要适用于PCD大量使用的场合,一方面铝合金精加工表面粗糙度较铸铁的要求更高,常见为Ra 0.4~0.8 mm;另一方面PCD本身对振动特别敏感,良好的刀具精度有利于提高刀具寿命。
        第二类刀盘在汽车行业极为常见。首先是因为性价比合理,其次是操作性很强,一般D315的刀盘只需调整4~6齿,即可满足车间的生产要求。另外,修光刃可通过调整相互间的跳动,达到精加工的表面要求,而对修光刃刀片本身的精度要求不高。
        第三类刀盘结构最为简单,但对刀盘及刀片的加工精度要求极高。经过仔细分析,同时结合实际使用要求与我公司的实际条件,株钻选择第二类结构刀盘作为精加工研发方向。
       

实现零部件高精加工的新型面铣刀

实现零部件高精加工的新型面铣刀

        切削刀片结构
        铸铁在汽车行业的应用很广泛,但因碳元素的分布不同呈现出不同的加工特点:灰口铸铁由于层状的碳在加工时表现得比较“脆”,刀具在切出时工件边缘容易产生缺口;球墨铸铁由于球状存在的碳而具备相对的“延展性”,刀具在切出时工件边缘容易产生毛刺;CGI因为连接的“蠕虫”状的碳而表现出更强的磨蚀性及延展性,且很难加工,具体表现为工件边缘的毛刺及对刀具的磨损。因此,切削刀片的结构需要以克服上述加工问题为研发方向。
        1.修光刃技术
        修光刃技术是精加工刀具的精髓,是最终表面质量的保证。其牵涉到结构、材质、设计、制造及应用等多方面,需要大量的基础技术数据作为支撑。
        2.刀片结构
        切削刀片的刀尖结构直接影响粗加工表面质量和精加工修光刀片的切削量,其基本结构有两种:刀尖自带修光刃及刀尖直接以圆弧过渡,两种结构主要考虑的是刀尖强度及加工残留高度,残留面积高度与刀尖的结构及进给有密切关系。形成残留面积高度的形式有三种:圆弧与圆弧相接;直线与直线相接;直线与圆弧相接。
        通过分析和计算,我们发现:修光刃过渡的刀尖结构可以维持稳定的表面粗糙度。当刀尖以圆弧过渡时,通过调整圆弧大小,可以控制残留面积高度;当刀尖自带修光刃时,通过调整副偏角,可以控制残留面积高度;当残留面积高度相同时,圆弧过渡的刀尖结构需要的圆弧半径要大于刀尖自带修光刃的。
       

实现零部件高精加工的新型面铣刀

实现零部件高精加工的新型面铣刀

        实际上,加工表面的粗糙度总会大于通过计算得出的残留面积的高度,其原因在于表面粗糙度除了受到几何因素的影响外,还与积屑瘤、瘤鳞刺、振动、刀具的刃磨质量、刀具的材料、切削条件、被加工材料,以及工艺系统的精度和刚度等有关,所以计算结果在实际的加工过程中被放大了很多倍。经过深入分析,我们选择了修光刃过渡的刀尖,并设计开发了两种槽形切削刀片(见图2)。该刀片的主要特点包括:
        (1)变主偏角。针对不同的铸铁类型,改变了切削刃在切出工件边缘时轴向力和径向力的分布,使轴向力大于径向力。从而加强了工件边缘切屑根部的强度,改善了灰铁被“撞”和球铁被“拉”的趋势,减少了“崩碎”和“毛刺”情况的出现。同时,小主偏角的切深只有不到1mm,对整个切削力的分配没有决定性的影响,依然是径向力大于轴向力,切削效果类似于75°标准铣刀,适合汽车行业大量薄壁类零件的加工。
        (2)优异的支撑稳定性。由于刀片采用开放的槽形结构,使刀片的顶面定位面一直贯通到侧面定位面,从而使其在刀槽内能够提供一直延伸到边缘的支撑力。当面对较大的切深时,由于能够在主切削力的正对反方向提供相反的抗力,从而有效提升了刀片的抗冲击能力。
        (3)良好的加工精度与刀片寿命。汽车行业半精加工的切深一般在0.5 mm左右,此时,刀具的主偏角实际只有31°,适应当下流行的“薄切屑”理论,提高了刀片的耐用度。同时,由于长达1.6 mm修光刃的存在,在一般切削加工中,不使用其他辅助手段即可达到较高要求,这一优势在刀盘直径≤100 mm时,尤为明显。
       

实现零部件高精加工的新型面铣刀

实现零部件高精加工的新型面铣刀

        (4)变前角。这一特点使加工更加安全,刀片寿命更长。毛坯硬度在表层较高,针对从大切深到小切深依次降低的情况,采用沿切削刃前角依次变化的设计方案。我们将刀片的前角设置在6°~9°之间,并随切深的变化而相应变化角度,从而平衡刀片的寿命和切削性能。为减小主轴压力,并使切屑排向离开水平面的方向,将刃倾角设置为8°~10°。
        试验验证
        为了检验修光刀片的修光效果,我们进行了一系列的试验,并且通过试验选择刀盘的可调方式。经过反复试验,我们最终设计出FMD02系列PN11型号的修光刀片,PNEG110512R-CM切削刀片及PNEG110512R-CW4修光刀片见图3、图4。同时,我们制作了三种可调方式(见图5)。下面简要说明一下试验过程:
        1.试验条件
        (1)切削刀片:PNEG110512R-CM/YBD152 。
        (2)修光刀片:PNEG110510-CW4/YBD152(见图6)。
        (3)刀具:①FMD02-100-B32-PN11-10+2(A型,两齿可调);②FMD02-100-B32-PN11-10+2A(B型,两齿可调);③FMD02-100-B32-PN11-10+2B(C型,两齿可调)。
        2.切削参数
        切削参数1:Vc=120 mm/min,Ae=3/4×D(70/80)mm,Ap=1 mm,Fz=0.08 mm/z;
        切削参数2:Vc=120 mm/min,Ae=3/4×D(70/80)mm,Ap=1 mm,Fz=0.15 mm/z 。
        3.试验结果
        在试验中,经过调整,A、B、C三种方式均可满足精度0.002mm的调整要求。其中A型使用两种扳手,调整快捷;B型整个刀盘只适用一种扳手,调整也较为方便;C型使用两种扳手,调整也很方便。相比较而言,压块压紧的稳定性要强于螺钉式压紧。使用参数1与参数2进行试验切削,切削效果如表所示。
        从试验的切削效果可以看出,为减少刀具附件,刀具应选择B型调整方式。同时,修光刀片可以达到修光效果,在两种试验参数下可以达到设计要求。
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