密齒面銑刀在柴油機箱體類零件加工中的應(yīng)用
2017-11-20 來源： 玉柴機器股份有限公司制造技術(shù)部 作者：林叢立
摘要：為提高柴油機氣缸體、氣缸蓋、離合器殼等箱體類零件的銑削效率，對柴油機生產(chǎn)線的所有粗銑、半精銑工序的機床、刀具進行改造，采用了先進的硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位密齒面銑刀，普遍提高了加工線銑削效率30％以上，確保了生產(chǎn)線產(chǎn)量的不斷提升，滿足了市場對生產(chǎn)能力不斷提升的需求，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益，為此，對密齒面銑刀在柴油機箱體類零件加工中應(yīng)用作具體的研究和論述。
關(guān)鍵詞：柴油機生產(chǎn)線；氣缸體零件；銑削加工
由于市場需求的不斷提升，柴油機生產(chǎn)線能力不斷在進行填平補齊，由年產(chǎn)2．4萬臺，增至3．8萬臺，再到7萬臺，期間雖然進行了大規(guī)模的技術(shù)改造，但新增設(shè)備大多數(shù)是鉆鏜類組合機床，由于生產(chǎn)線場地與空間所限，生產(chǎn)線的銑削設(shè)備無法新增，銑削設(shè)備的效率與能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了市場需求，成為關(guān)鍵瓶頸工序，因此，對現(xiàn)有銑削設(shè)備進行改造，應(yīng)用新工藝、新技術(shù)，提高生產(chǎn)線的銑削效率已刻不容緩。
1、密齒面銑刀應(yīng)用的提出
對銑削工序的工藝系統(tǒng)進行具體的分析發(fā)現(xiàn)，制約銑削效率提高的主要原因是：硬質(zhì)合金刀片強度、耐磨性不足，只能采用較低的切削進給速度。為此，在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)條件下，提高銑削效率的途徑可能有：
(1)采用高強度、耐磨刀片
采用立方氮化硼等高強度、耐磨性好的刀片材質(zhì)，可顯著提高工件的銑削進給速度，但在同等刀片數(shù)量下，必須要求強大的切削功率以及機床強度，必要時還需要大流量冷卻系統(tǒng)支持，在現(xiàn)狀國產(chǎn)通用銑削設(shè)備不動基礎(chǔ)上，設(shè)備功率與強度都不足，新增大流量冷卻系統(tǒng)也困難，且國內(nèi)諸如立方氮化硼等高強度、耐磨性好的刀片材質(zhì)開發(fā)仍未成熟，國外刀具運行成本太高，因此，針對現(xiàn)狀條件，采用高強度耐磨刀片仍沒有現(xiàn)實基礎(chǔ)。
(2)減少每齒進給量，提高進給速度
在銑削過程中，每片刀片所受的切削力與每齒進給量成正比關(guān)系，減少每齒進給量，可減少每齒所受的切削力，在刀片同等強度下，可提高工件銑削的進給速度，從而提高銑削效率，因此，減少每齒進給量是提高銑削效率的途徑之一。而要減少每齒進給量有二種方法：提高主軸轉(zhuǎn)速、增加參加切削的刀齒數(shù)。
1)提高主軸轉(zhuǎn)速，減少每齒進給量。雖然提高主軸轉(zhuǎn)速，可減少每齒進給量，從而可相應(yīng)提高工件的進給速度，達(dá)到提高銑削效率的目的，但主軸轉(zhuǎn)速提高，切削的線速度也提高，刀片產(chǎn)生的切削熱也提高，當(dāng)切削熱超過刀片耐受范圍時，刀片就會急劇磨損，在沒有有效的刀片冷卻條件下，按目前國產(chǎn)刀片材料現(xiàn)實，難于實現(xiàn)。
2)采用密齒刀盤，減少每齒進給量。采用密齒刀盤，參加切削的刀齒數(shù)增加，則每齒進給量可相應(yīng)降低，在相同的銑削條件下，可相應(yīng)提高工件的進給速度，從而達(dá)到提高銑削效率的目的，隨著刀具結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化改進，國內(nèi)硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位密齒面銑刀盤已成熟，刀盤成本差別也不大。
綜上所述，通過幾種方案的評估對比，在生產(chǎn)線設(shè)備不作重大變更條件下，采用密齒面銑刀是有效提高銑削效率的最簡單、可靠、同比運行成本可接的最佳方案。
2、密齒面銑刀盤在生產(chǎn)線的實際應(yīng)用
對柴油機生產(chǎn)線上所有銑削灰鑄鐵HT250的氣缸體、氣缸蓋、離合器的粗、半精工序的鹽城紅旗單／雙面組合銑床的銑刀盤全部更換為密齒面銑刀盤，直徑500的銑刀盤，由原來的30片提高為60片；直徑400的銑刀盤，由原來的24片提高為45片；直徑315的銑刀盤，由原來的18片提高為36片，基本上增加了一倍，單純從每齒進給量可降低一半來看，進給速度可提高一倍，則效率可提高一倍，但由于銑削過程受到復(fù)雜的機床、工裝、表面粗糙度要求等諸多因素影響，難以達(dá)到全部更換的工序銑削效率都能提高一倍，但從實際應(yīng)用效果看，最少都能達(dá)到提高生產(chǎn)效率30％以上，個別瓶頸工序設(shè)備更換為大功率高強剛性的強力銑削機床后，可以達(dá)到提高生產(chǎn)效率高于50％的目標(biāo)。
密齒面銑刀盤在生產(chǎn)線的實際應(yīng)用采用的銑削參數(shù)為：切削厚度2 mm～5 mm，單齒進給量0．05。0．15 mm／每齒，線速度100—125 m／min，必須特別注意：對特定的刀片材質(zhì)，若線速度超越一個臨界值，刀片的耐用度將大幅下降，因此，主軸轉(zhuǎn)速及線速度與生產(chǎn)效率之間必須選好一個平衡點；更換密齒面銑刀盤后，進給速度普遍從160～200 mm／min，提高到250。315 mm／min，銑削效率提高30％以上。
3、密齒面銑刀盤在生產(chǎn)線應(yīng)用的案例
銑刀盤齒數(shù)提升為原齒數(shù)的一倍，理論上，銑削效率可提高一倍，但由于受復(fù)雜的各種因素的影響，特別是在密齒面銑刀銑削過程中，雖然單齒進給量減少了，但同時參與銑削的刀齒數(shù)成倍增加，整個刀盤所受的切削力及切削熱都在提高，因此，在實際應(yīng)用中必須考慮如下問題：
(1)機床本身的電機功率及機床剛強度
由于同時參加銑削的刀齒數(shù)增加，切削力也在增加，所要求的機床功率、機床剛強度也要增強，因此，更換密齒面銑刀盤時，必須評估原生產(chǎn)線使用的設(shè)備狀況，在確定工件進給速度時，必須考慮適當(dāng)?shù)膭虞d及新刀片磨損后切削力上升等變化因素，否則，機床可能出現(xiàn)由于工件進給速度過高，而致機床工藝系統(tǒng)出現(xiàn)振動、工作臺拖動無力、機床讓刀、機床故障頻繁等不利因素。
案例一：在生產(chǎn)線氣缸體粗銑前后端面工序中，銑削厚度為3 mlTI～5 mm，原舊刀盤使用的進給速度為160 mm／min，機床銑削狀態(tài)良好；更換密齒面銑刀后，先采用250 mm／min的進給速度，銑削效率可提高55％，但試切結(jié)果，機床振動嚴(yán)重，銑削效果不佳，后把進給速度降為200 mm／min，銑削效果良好，銑削效率提高30％．為了進一步提高生產(chǎn)效率，后來更換了一臺強力銑削機床，機床主軸功率由7．5 kW提高到15 kW，機床的剛強度也加強，但工作臺進給功率沒162有提高，機床進給速度采用250 mm／min時，機床銑削平順，銑削良好，生產(chǎn)效率提高55％，再把進給速度提高到315 mm／min時，銑削效率可提高95％，機床主軸銑削良好，但工作臺時而出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，加工狀況不理想，說明機床主軸功率及機床剛強度都足夠，但工作臺進給功率不足，最后該工序進給速度確定為250 mm／min，生產(chǎn)效率只提高55％．
(2)工件銑削的有效面積
工件銑削面積越大，同時參與銑削的刀片數(shù)增大，其切削力也相應(yīng)增大，對不同的有效銑削面積，必須采用不同的工件進給速度，才能保證高的銑削效率，否則，機床也會出現(xiàn)振動，讓刀等影響加工質(zhì)量的問題。
案例二：氣缸體粗銑左右側(cè)面工序與粗銑前后端面工序，銑削寬度一樣，但有效的銑削面積不同，左右側(cè)面以塔子凸臺等形成間斷的銑削面，中間部位有很多面積是不用加工的，而前后端面基本上是實體，屬大面積實體銑削，前后端面的有效銑削面積比左右側(cè)面的銑削有效面積大二倍以上；在機床型號、刀盤結(jié)構(gòu)大小、銑削深度都相同條件下，粗銑左右側(cè)面的銑削進給速度可以達(dá)到315 mm／min，而粗銑前后端面的進給速度只能達(dá)到200 mm／min，因此，有效銑削面影響著銑削參數(shù)的選擇。
(3)工裝夾具的剛性
由于參與銑削的刀齒數(shù)多，大量的刀齒頻繁地切人切出工件表面，產(chǎn)生很高的振動頻率，如果工裝夾具剛性不好，工裝夾具的固有頻率與銑削的振動頻率相近，就會產(chǎn)生“共振”現(xiàn)象，因此，在密齒面銑刀盤應(yīng)用時，必須在工裝設(shè)計時注意提高工裝夾具的整體剛強性。
案例三：在氣缸蓋粗銑底面工序中，共使用了二臺相同的設(shè)備，但工裝夾具不同，第一臺設(shè)備的工裝底座由四塊25 mm厚鑄鐵用螺栓連接在一體，夾具中空，整個夾具剛性不是很好，在更換使用400 mm密齒面銑刀銑削時，產(chǎn)生非常明顯的振動，為了消除振動，先后試進行了順銑、逆銑、偏心銑、減少銑削厚度等措施，但振動仍不能消除，最后采取在密齒面銑刀上隔齒去掉一個刀片的方法，才消除了振動，但新更換的密齒面銑刀對提高生產(chǎn)效率沒產(chǎn)生效果；而在第二臺設(shè)備上，使用的工裝夾具是整體澆注的鑄鐵底座，新更換使用了400 mm密齒面銑刀，進給速度并提高30％情況下，銑削平順良好，生產(chǎn)效率能提高30％；因此，在采用密齒面銑刀時，必須評估考慮工裝夾具的剛性等狀況。
(4)被加工產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性
柴油機氣缸體、氣缸蓋結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，產(chǎn)品的整體剛強性也顯著影響銑削的效果，必須評估產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點，選擇不同的銑削刀盤與銑削參數(shù)。案例四：在氣缸體精銑底面工序中，曾換用帶修光刀的密齒面銑刀盤進行銑削，即使在相同銑削進給速度下，新刀盤銑削后的表面粗糙度比舊刀盤差，不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)產(chǎn)品圖紙要求，主要原因有二：一是，氣缸體底面二邊是龍門結(jié)構(gòu)，有100 mm長度的懸空，被銑削部位剛性較差，當(dāng)更密集的刀齒參加切削后，產(chǎn)生更大的振動頻率，遇上剛性較差的被切削部位時，產(chǎn)生嚴(yán)重的振動，致加工后表面粗糙度下降。
二是，密齒面銑刀盤壓緊可轉(zhuǎn)位刀片采用的是簧拉緊結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)適于布置更密集的刀片，且更刀片更容易，但該結(jié)構(gòu)致使可轉(zhuǎn)位刀片為正2度前角，正前角銑削的切削力更大，對剛性差的工件而言，更容易引起振動，從而影響加工后的表面粗糙度。而舊刀盤采用的是楔塊螺釘壓緊結(jié)構(gòu)，致刀齒布得較疏，且更換可轉(zhuǎn)位刀片也不方便，但該結(jié)構(gòu)能使
刀片形成負(fù)3度前角，銑削更鋒利，因此銑削力更低，銑削的振動低，銑削平順。因此，密齒面銑刀盤在些特定條件下并不適用。
4、結(jié)束語
隨著刀具材料與刀具結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，在生產(chǎn)線空間與設(shè)備限制條件下，可應(yīng)用更先進的銑削刀，能有效提升其生產(chǎn)效率，本文所述的柴油機氣缸、氣缸蓋、離合器殼生產(chǎn)線的所有粗、半精銑刀盤換為密齒面銑刀盤后，生產(chǎn)效率普遍可提高30％以上。更先進的刀具的應(yīng)用，可能需要更高設(shè)備功率或剛強度，或大流量冷卻等技術(shù)的支持，需要做好評估，才能有效發(fā)揮新技術(shù)新工藝的效能。
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