某公司加工的差速器殼體是4種型號(hào)外形相似、尺寸略有差異的零件族產(chǎn)品，應(yīng)某型差速器功能性要求，差速器殼體的材料為球墨鑄鐵QT600-3，其各項(xiàng)特性中等，具有綜合性能較高，耐磨性、減振性及其鑄造工藝性能良好的特點(diǎn)。加工殼體十字孔的鉸孔刀具 是一種刀片與刀柄組合式的硬質(zhì)合金鉸刀，此種鉸刀制造復(fù)雜且需要配合相應(yīng)的刀柄使用，價(jià)格昂貴，這使得單件加工成本較高。同時(shí)各型號(hào)工件十字軸孔外包絡(luò)的材料壁厚不同，不同壁厚的十字軸孔在加工過(guò)程中不可避免有不同程度的孔縮現(xiàn)象。所以在刀具尺寸合理的前提下，必須嚴(yán)格控制刀具壽命，通過(guò)對(duì)鉸刀尺寸設(shè)計(jì)與使用壽命進(jìn)行探究，從而使得刀具達(dá)到使用的最佳狀態(tài)。
一、殼體十字孔加工工藝
圖 1 所示為差速器殼體的工藝圖樣，車銑復(fù)合中心加工十字孔共3道工序， 分別是粗鏜、半精鏜、鉸孔。鉸削4個(gè)十字軸孔為最后一道工序，其尺寸及精度要求為：十字孔直徑為φ40 mm，公差等級(jí)為P7，表面粗糙度為Rz16 μm，目前使用的切削參數(shù)如表1所示。
二、鉸刀的參數(shù)選用與壽命設(shè)計(jì)
幾何參數(shù)設(shè)計(jì)
加工現(xiàn)場(chǎng)鉸孔使用了HORN的DR.044.040 00. P7.A1.HL3H鉸刀片，刀具材質(zhì)為 HL3H、材料屬性HC，為提高刀具的耐高溫、高耐磨和抗沖擊的性能，此刀片使用了AlCrN涂層，其在經(jīng)干噴砂的前處理工藝后的切削性能較好，刀片具體信息如圖2所示。
刀具角度的選擇直接影響加工精度及加工的穩(wěn)定性。根據(jù)鉸刀的參數(shù)選取經(jīng)驗(yàn)與新式鉸刀選型表，確定鉸刀的幾何參數(shù)，如表2所示。
此外，依據(jù)鉸刀直徑設(shè)計(jì)的基本原理，根據(jù)GB/T 4246—2004與φ40H7 mm的公差值確定了鉸刀的直徑范圍為39.949～ 39.979 mm。由于刀具磨損會(huì)減小鉸刀直徑尺寸 ，建議的鉸刀設(shè)計(jì)值盡可能地接近十字孔的上差，因此鉸刀尺寸選擇為(39.978±0.003)mm，這樣對(duì)于孔的加工要求較穩(wěn)定，孔徑在中差以上，對(duì)于實(shí)際裝配有足夠的保證，但過(guò)于接近上差的設(shè)計(jì)值會(huì)帶來(lái)諸多不良影響，若切削用量不夠準(zhǔn)確，如當(dāng)?shù)毒呤褂煤笃诖嬖诜e削瘤的累積或者刀刃磨損后，很可能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生孔徑超差、粗糙度不穩(wěn)定、刀具壽命縮短等問(wèn)題。
鉸刀壽命設(shè)計(jì)
從企業(yè)生產(chǎn)的角度出發(fā)，刀具壽命要考慮加工成本，其使用壽命就要尋求以工序成本最低為目標(biāo)，即最大利潤(rùn)使用壽命Tp 為
式中：Ct 為磨刀費(fèi)用(包括刀具成本及折舊費(fèi));M為工時(shí)費(fèi);tct為一次換刀所消耗的時(shí)間;m為指數(shù)，表示對(duì)Tp的影響程度，硬質(zhì)合金刀具m取0.2～0.3。
按照加工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，磨刀費(fèi)用Ct 設(shè)置在4000元，工時(shí)費(fèi)M是包括實(shí)際的操作者的薪酬以及分?jǐn)偟綑C(jī)床上的一些管理費(fèi)等其他費(fèi)用;在更換鉸刀時(shí)，需要用千分表測(cè)試鉸刀安裝跳動(dòng)值，所以一次換刀消耗的時(shí)間tct一般在20 min左右，則計(jì)算鉸刀的設(shè)計(jì)壽命應(yīng)該不少于233 min。而差速器殼體十字孔深為50 mm，單孔加工時(shí)間為0.077 min，最終折算鉸刀的加工總長(zhǎng)度為不少于152 m。
三、加工分析與改進(jìn)試驗(yàn)
加工分析試驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)前選取近期加工過(guò)程最穩(wěn)定且刀具使用壽命最長(zhǎng)的227型號(hào)工件，通過(guò)全自動(dòng)在線綜合量?jī)x采集加工孔徑數(shù)據(jù)，得到了原有切削參數(shù)下鉸刀全壽命狀態(tài)孔徑變化圖(如圖3)，變化圖的初始階段加工尺寸有明顯的擴(kuò)大現(xiàn)象，然后孔徑尺寸逐漸減小趨于平穩(wěn);第二階段刀具處于加工穩(wěn)定期，孔徑尺寸基本介于39.972～39.978 mm的范圍內(nèi);第三階段孔徑逐漸變大最終超差，鉸刀壽命期加工長(zhǎng)度接近500 件，加工總長(zhǎng)度不超過(guò)100 m。分析刀具全壽命周期的變化情況，初始階段一般情況下刀具較為鋒利，刀具直徑接近上差，而后受安裝跳動(dòng)的影響，鉸刀會(huì)向孔心方向磨損并趨于穩(wěn)定，圖3中初始階段曲線下降緩慢，明顯表現(xiàn)出的是刀具安裝跳動(dòng)偏大。第三階段隨著刀具的磨損，刀具的切削刃出現(xiàn)了較嚴(yán)重的局部磨損，所以刀刃的切削點(diǎn)會(huì)向下偏移，或者存在積屑瘤等問(wèn)題，刀具非正常切削，摩擦力增大，使得工件孔徑變大。
按照技術(shù)人員總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)以及查閱相關(guān)資料，對(duì)于孔徑較大等問(wèn)題，一般性的結(jié)論主要是鉸刀外徑尺寸偏大，進(jìn)給量不當(dāng)造成的。依據(jù)對(duì)圖3的刀具快速失效變化趨勢(shì)，有兩個(gè)重要的方向需進(jìn)行試驗(yàn)分析，即鉸刀幾何參數(shù)和切削參數(shù)。
刀具直徑兼容性分析
首先應(yīng)該研究降低鉸刀的直徑尺寸，使直徑減小后的鉸刀依然能夠兼容4種殼體十字孔的加工。為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確且盡可能地消除與試驗(yàn)不相關(guān)因素，必須保證加工的過(guò)程能力是穩(wěn)定的。過(guò)程能力指數(shù)Cpk≥1.33是評(píng)價(jià)穩(wěn)定性的一級(jí)指標(biāo)，本次抽取近期班產(chǎn)對(duì)應(yīng)不同種型號(hào)工件各30件，孔徑數(shù)據(jù)如圖4所示，通過(guò)MINITAB 17軟件進(jìn)行的過(guò)程能力指數(shù)測(cè)算結(jié)果均滿足試驗(yàn)要求，結(jié)果如圖5所示。
對(duì)30件工件做孔徑數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，整理出各工件型號(hào)的每個(gè)工件中4個(gè)十字軸孔的平均值曲線，曲線圖展示了不同壁厚的殼體的收縮值有所不同。把不同型號(hào)的30件產(chǎn)品的孔徑數(shù)據(jù)求出4個(gè)平均值后，對(duì) 4 個(gè)平均值再取平均，最終得到孔徑值為39.976 mm。此時(shí)，30件產(chǎn)品中孔徑壁厚最薄的229工件加工的上限值為39.984 mm，而孔徑壁厚最厚的232工件加工的下限值為39.966 mm，所以鉸刀直徑尺寸有4～6 μm的空間，如果直徑尺寸直接降低6 μm，也能夠保證孔徑的均值在中差位置，但有可能會(huì)使232工件更接近下差，為保險(xiǎn)起見(jiàn)將鉸刀直徑降低4 μm，由原來(lái)39.978 mm改為39.974 mm。
刀具切削參數(shù)分析
如圖 6所示，在鉸刀磨損較嚴(yán)重的后期階段出現(xiàn)了十字孔由內(nèi)向外劃痕逐漸加深現(xiàn)象，造成孔壁劃痕最直接的原因是積屑瘤問(wèn)題。要抑制積屑瘤形成或者降低其大小主要考慮控制切削速度、降低進(jìn)給量、增大刀具角度及使用潤(rùn)滑性較好的切削液等。在切削用量與刀具使用壽命的關(guān)系表達(dá)式中表明，切削速度對(duì)刀具使用壽命影響最大，進(jìn)給量次之，背吃刀量影響最小。由于實(shí)際加工中，半精鏜工序已經(jīng)確定了鉸刀的加工余量，最快捷的方法是從降低進(jìn)給量的方向考慮。
在其他參數(shù)不變的情況下，分若干組進(jìn)行縱向?qū)Ρ仍囼?yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)給量在原有參數(shù)的基礎(chǔ)上降低0.01 mm并核算刀具壽命。目前廠家推薦進(jìn)給量為每齒0.15 mm，根據(jù)切削參數(shù)，查找《機(jī)械加工工藝師手冊(cè)》，通過(guò)切削速度公式可以反求出相應(yīng)的刀具壽命，表3為相關(guān)系數(shù)與指數(shù)的取值。
式中：d0為鉸刀直徑;xv、yv、zv、m為指數(shù)，表示對(duì)壽命的影響程度;kv為與刀具耐用度有關(guān)的系數(shù);T為鉸刀壽命。
如圖7所示，在進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn)后，即進(jìn)給量為每齒0.12 mm的情況下，劃痕消失，積屑瘤最小，核算刀具壽命期內(nèi)能加工760件，折算成加工長(zhǎng)度接近152 m。
切削液對(duì)鉸刀壽命的影響
硬質(zhì)合金鉸刀鉸削高精度的鑄鐵孔并不容易，需要配合切削液使用。切削液在加工過(guò)程中，冷卻與潤(rùn)滑對(duì)刀具壽命有顯著的作用。按照新式鉸刀的內(nèi)冷要求，鉸削加工時(shí)的切削液濃度配比應(yīng)該選擇8.5%左右，切削液壓力范圍在3～10 MPa之間，受目前加工機(jī)床的限制，切削液壓力值只能設(shè)置在1.5 MPa左右。切削液壓力小于3 MPa，對(duì)刀具壽命的提高并不明顯，切屑控制沒(méi)有太大改善;加工現(xiàn)場(chǎng)使用的切削液為嘉實(shí)多Hysol SL 35 XBB，是高性能半合成金屬切削液，主要成分為礦物油、乳化劑和其他添加劑，適用于鑄鐵材料的各種加工方法，對(duì)于一般的加工方法，推薦的添加濃度范圍為5%～10%。加工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用濃度一般取中間值7%～8%左右，為了彌補(bǔ)在切削液壓力不能滿足要求的情況下，切削液濃度需得到保證。
改進(jìn)試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析
對(duì)比試驗(yàn)過(guò)程
更換試驗(yàn)用刀前，要分別對(duì)兩臺(tái)機(jī)床半精鏜后的孔徑進(jìn)行確認(rèn)，并在更換39.974 mm鉸刀后檢驗(yàn)跳動(dòng)值，兩臺(tái)機(jī)床均控制在2 μm以內(nèi)。試驗(yàn)設(shè)置對(duì)照組，選擇殼體壁厚較大的227型和232型產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，由于232型產(chǎn)品壁厚最大，先對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，使孔徑公差下限得以驗(yàn)證;待加工500件左右更換227型產(chǎn)品。OP30-1機(jī)床保留原有進(jìn)給量(每齒0.15 mm)，OP30-2機(jī)床進(jìn)給量改為每齒0.12 mm。切削液濃度值在OP30-1機(jī)床保留當(dāng)前使用范圍(7%～8%)，OP30-2機(jī)床提高推薦濃度最大值為10%。調(diào)試完成后，正常進(jìn)行每日的加工任務(wù)，跟蹤連續(xù)生產(chǎn)。
試驗(yàn)結(jié)果分析
使用全自動(dòng)在線綜合量?jī)x采集對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將測(cè)試的孔徑尺寸按照孔1～孔4順序排列，得到優(yōu)化后的切削參數(shù)下鉸刀全壽命狀態(tài)孔徑變化并做出了趨勢(shì)曲線，如圖8、圖9所示。圖中的橫坐標(biāo)為加工十字孔的數(shù)量，縱坐標(biāo)為孔徑尺寸;圖8與圖9中的灰色折線分別為兩臺(tái)機(jī)床的鉸孔直徑數(shù)據(jù)全壽命統(tǒng)計(jì)值，黑色折線為對(duì)應(yīng)的平均趨勢(shì)曲線。
通過(guò)橫縱綜合試驗(yàn)比較得出：
1) 在嚴(yán)格控制刀具安裝跳動(dòng)值后，有了明顯改善 ，大約在加工20個(gè)工件左右，鉸刀就結(jié)束了快速磨損期趨于穩(wěn)定狀態(tài)。
2)對(duì)比圖4與圖8的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線圖不難看出，兩種工件與最初抽取的30件數(shù)據(jù)中的孔徑值有所降低;對(duì)比改進(jìn)后的鉸刀加工的工件，通過(guò)對(duì)圖4的4種工件加工直徑的變化區(qū)間與圖8、圖9 的尺寸區(qū)間段比較可以得出，更改刀具設(shè)計(jì)值后的227型與232 型號(hào)產(chǎn)品在穩(wěn)定期的孔徑區(qū)間均下降了4～5 μm，離公差下限還存有一定尺寸量，能夠保證兼容加工4種型號(hào)的殼體十字孔。
3)對(duì)比圖8與圖9曲線圖，進(jìn)給量由每齒0.15 mm改為每齒 0.12 mm后，刀具壽命提高的效果十分顯著;如圖8所示，以進(jìn)給量每齒0.12 mm加工孔數(shù)為2796個(gè)(674件)，刀具失效表現(xiàn)為粗糙度超差(Rz15.716 μm)，同時(shí)抽取了OP30-2的加工工件粗糙度，其數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定(Rz10.125 μm)，最終加工孔數(shù)為3864個(gè)(966件)。并且在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察，孔內(nèi)劃痕完全消除。
4)對(duì)比圖8與圖9，OP30-2機(jī)床在加工穩(wěn)定期的孔徑尺寸區(qū)間較小，即切削液濃度高的一組明顯比濃度低的一組的孔徑尺寸更加穩(wěn)定。
綜上分析，優(yōu)化后的加工參數(shù)與鉸刀使用條件，比原有狀態(tài)下刀具壽命增加近1倍，降低了刀具使用成本。
四、結(jié)論
通過(guò)差速器殼體加工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際考察并結(jié)合差速器殼體的加工工藝，對(duì)刀具壽命進(jìn)行重新核對(duì);根據(jù)鉸刀的參數(shù)選取的經(jīng)驗(yàn)與新式鉸刀選型表，確定合理的刀具幾何參數(shù);在原有切削參數(shù)狀態(tài)下，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，分析了刀具壽命偏低的主要因素，確定了影響刀具壽命及加工質(zhì)量的原因后，運(yùn)用單一因素法進(jìn)行橫縱綜合對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了刀具直徑為39.974 mm、進(jìn)給量為每齒0.12 mm、切削液濃度值在10%時(shí)的刀具使用壽命最長(zhǎng)，加工孔數(shù)達(dá)到了3864個(gè)，折算成加工長(zhǎng)度為193.2 m，且加工過(guò)程更加穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)略.