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自制套料钻解决端面环形深窄槽加工难题

发布时间:2021-04-30 16:53所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:环形深窄槽型结构零件加工区域窄、切削阻力大、排屑不畅、散热效果差、刀具刚性弱易损坏,进而造成零件加工难度较大、加工质量难以保证、生产效率低等问题。针对以上问题,分析和阐述了制约深窄槽型结构零件加工质量和效率的主要因素,提出了自制套料

  摘要:环形深窄槽型结构零件加工区域窄、切削阻力大、排屑不畅、散热效果差、刀具刚性弱易损坏,进而造成零件加工难度较大、加工质量难以保证、生产效率低等问题。针对以上问题,分析和阐述了制约深窄槽型结构零件加工质量和效率的主要因素,提出了自制套料钻替代传统车削和铣削加工方法,综合考虑刀具在切削加工过程中的影响,针对性地采取有效措施,确保了产品质量稳定、生产效率提升和刀具成本降低。

  关键词:环形深窄槽;影响因素;套料钻

零件加工

  0引言

  端面具有环形深窄槽型结构的零件广泛应用于航空航天和车辆机械等领域。此类零件在加工过程中,采用传统车削或铣削工艺时,当加工深度受到刀具有效切削长度限制时,由于加工区域太窄、切削阻力大、排屑不畅、散热效果差、刀具刚性弱易损坏等因素导致加工难度较大,加工质量难以保证,生产效率低,严重制约生产进度,因此对此类零件进行工艺创新性研究具有极大的意义和应用价值。本文在使用自制套料钻替代传统车削和铣削加工方法的基础上,综合考虑刀具在切削加工过程中的影响,针对性地采取有效措施,确保了产品质量稳定、生产效率提升和刀具成本降低。

  1零件工艺分析

  1.1零件结构

  某零件为奥氏体不锈钢1Gr18Ni9Ti材质,毛坯为Φ72mm×100mm圆钢。在零件端面Φ43.5mm位置有一处端面深槽,槽宽11mm,槽深50mm,槽深与槽宽之比将近5∶1,属于典型的深窄槽。

  加工论文范例:浅析连杆类零件加工技巧

  1.2加工难点分析

  该零件加工难点有:

  (1)1Gr18Ni9Ti为奥氏体不锈钢,由于其韧性和抗拉强度都较高,因此在切削时塑性变形大,产生的切屑易粘结,不易折断,导致被加工表面在切削过程中不断硬化,每一次切削层都会产生加工硬化,经过层层累积,材料在切削过程中的硬度越来越高,切削力也随之越来越大;同时硬化层的产生和切削力的升高导致刀具与工件之间的摩擦力增大,切削温度随之升高;并且由于不锈钢材料导热性差,大量的切削热集中在刀具与工件之间,导致了刀具磨损严重,刀具寿命低,加工表面质量差。

  (2)刀具悬伸过长产生切削振动现象。车削加工时采用标准Φ10mm立铣刀。标准Φ10mm立铣刀刀具长度为75mm,若要满足切削深度为50mm的深槽加工需求,夹持部分只能小于25mm。但在实际加工过程中,刀具夹持部分过短会产生挠曲力造成刀具偏摆,甚至掉刀;同时刀具悬伸越长,切削力和切削振动增大,刀具磨损加剧,表面质量下降。

  因此,铣削加工时,生产现场目前通用的标准7字型端面切槽车刀MGFVR32030/50T18最大切入深度为20mm,显然无法满足使用要求,必须定制加长型刀具。而在使用加长刀具时,受悬伸太长的影响导致刀具刚性降低,在实际切削过程中,为了避免切削力过大产生振动现象,只能采用微量切削,导致加工效率极低。

  (3)传统加工切削轨迹长,加工效率低。采用铣削加工时,由于槽窄、铣削空间狭小,常常推荐螺旋铣削方式。螺旋铣削具有灵活的运动特性,可以实现低切削力,并能降低刀具磨损,提高表面质量,在浅孔加工时,切屑容易排出。但在该零件的加工中,当加工深度超过刀具有效切削刃长度时,切屑会在深槽内堆积,并与刀具柄部发生摩擦产生大量的热,对刀具发生二次伤害,严重时会引起灾难性折断。而采用车削加工时,通常选用端面切槽刀加工,为保证窄槽内排屑顺畅,常常推荐使用分层微量车削,但车削效率极低。

  2工艺解决方案

  通过对该零件材料的特性(抗拉强度和切削性能)、加工要素(端面窄深环形槽)构成和现有加工方案(定制加长端面槽刀分层车削和立铣刀螺旋线铣削)进行分析研究,提出使用自制套料钻钻削加工替代传统车削和铣削的解决方法。

  2.1套料钻结构特点

  (1)套料钻由刀柄本体、切削刀片和紧固螺钉组成。套料钻结构与U钻结构相似,不同之处在于U钻使用周边刀片和中心刀片;套料钻因为不需要过中心切削,只需要两处周边刀片即可。从切削角度上看,其加工原理与机夹车刀加工外圆和内孔相似,刀片磨损后无需重磨,直接更换刀片即可。

  (2)套料钻结构刚性好,加工环形槽时,满足饱和加工状态,属于一次成型加工,加工效率高。

  (3)套料钻在加工不同材料时,只需要更换同类型不同牌号的刀片即可。

  2.2套料钻刀片选择

  (1)选择切削刀片时,先确定合适的刀片尺寸,已知环形槽宽度为11mm,刀片在刀杆上安装应预留一定的定位面厚度,以2mm计,11mm-2mm=9mm,所以刀片的切削面投影宽度应小于9mm,即刀片的切削刃长度应小于9mm。

  (2)在满足切削性能的前提下,合理选择刀片的形状,尽量选择通用性较高的同一刀片上切削刃数较多的刀片。(3)根据工件的切削性能选择合适的刀片材质。根据以上要求,经过研究、分析和对比,最终选择使用牌号为山特维克880-0402W04H-P-GM4334刀片。

  2.3确定刀片安装角度和位置

  使用CAD设计刀杆模型并确定刀片在刀杆上的安装角度和安装位置,套料钻刀片是标准矩形刀片,刀尖角度为90°。在设计刀片的安装角度时,应将外侧刀片旋转-1.5°,内侧刀片旋转+1.5°。这种设计的目的有以下几点:

  (1)将切削平面上的主偏角小于90°,这样使得主切削刃上的单位长度负荷减轻,轴向切削力减小,从而在钻削时可以选择更大的进给速度,提高生产效率。

  (2)可以控制切屑的流向,使切屑向刀具方向流出,避免切屑与工件发生挤压。

  (3)可以起到引导减震作用,当主偏角小于90°时,刀片内侧刀尖高于主切削刃,此时刀片切削的过程是一个由点到线的渐进过程,一方面起到一个定心引导作用,另一方面,此时刀具的切削力也是一个线性提高的过程,避免了切削力骤然升高引起刀具震颤的现象。确认刀片安装角度后,再根据环形槽的大小分别确定内侧刀片和外侧刀片的安装位置,以此来保证环形槽的尺寸。

  2.4套料钻制作工序安排

  2.5改进前后加工效率对比

  针对案例中选择的零件加工刀具试验数据,通过对数据分析可知,使用端面槽刀车削的加工时间为23min,使用立铣刀螺旋铣削的加工时间是15.6min,使用套料钻钻削的加工时间是1.66min,后者的加工效率是端面槽刀车削加工的13倍,是立铣刀螺旋铣削加工的9倍,所以使用套料钻钻削可以大大提高产品的加工效率。

  3结语

  通过采用自制套料钻钻削的加工方式替代传统车削和铣削,解决了传统加工方法在加工深窄端面环形槽时加工效率低、刀具寿命低的问题。采用新的加工方法后,加工效率提升,刀具成本降低,使生产效率成倍提升,生产成本大幅降低。

  参考文献:

  [1]孟少农.机械加工工艺手册[M].北京:机械工业出版社,1991.

  [2]刘霞.不锈钢材料切削时刀具易损原因及对策[G]//2007年中国科学技术协会年会论文集.[s.l.]:中国科学技术学会,2008:401-403.

  作者:解亚波,韩利萍,申浩,何李鑫,张艳文,何德胜

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《自制套料钻解决端面环形深窄槽加工难题》

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