藍(lán)仁義
(廣西玉柴機(jī)器股份有限公司,廣西 玉林 537005)
鉸刀應(yīng)用于金屬材料上較高精度的孔類加工領(lǐng)域,例如發(fā)動機(jī)、變速箱、機(jī)床、汽車等機(jī)械制造業(yè),只要有孔,都需要此項(xiàng)技術(shù)。筆者以汽車發(fā)動機(jī)零件為例,闡述在機(jī)械加工領(lǐng)域中工藝性差,且精度高的孔的加工方法。隨著科技的發(fā)展,加工的精度要求越來越高,加工孔的精度更是要求嚴(yán)格。其材質(zhì)一般為鋁、鑄鐵等,是比較軟的材質(zhì),傳統(tǒng)的鉸刀在鉸孔過程中,就越來越暴露出不能滿足加工精度的問題。
玉柴公司生產(chǎn)一款型號為YC6M 的重型發(fā)動機(jī),其氣缸體的加工精度要求尤其高。機(jī)體是發(fā)動機(jī)零部件加工復(fù)雜程度最高的零件之一,而挺柱孔是機(jī)體最難加工的工序之一。挺柱孔一般布置在柴油機(jī)機(jī)體內(nèi)腔中部,受結(jié)構(gòu)限制加工比較困難,工藝性比較差[1]。保證挺柱孔對凸輪軸的垂直度0.05 mm,是柴油機(jī)加工工藝關(guān)鍵之一。挺柱孔是深長孔,精度要求高,粗糙度Ra 1.6 μm,孔徑精度Φ 38 H8;況且,一個(gè)工件有12個(gè)挺柱孔,只要其中任何一個(gè)孔存在品質(zhì)缺陷,那么這件工件就是不合格品,這就增加了加工難度(挺柱孔附圖見圖1)。
圖1 挺柱孔圖
以下具體介紹3 種對刀具整改的方式。
傳統(tǒng)的鉸刀采用刀具以刀桿作為后導(dǎo)向、接桿與主軸剛性聯(lián)接的方式。
鉸刀在加工YC6M氣缸體這種既深長,精度要求又高的孔時(shí),遇到了上述難題。新引進(jìn)的機(jī)床采用的是傳統(tǒng)的加工方法,該方法采用接桿剛性聯(lián)接機(jī)床主軸,接桿夾持刀柄傳遞力矩,而刀具是以刀桿與模板上的導(dǎo)向套間隙配合作為后導(dǎo)向[2]。這種方式結(jié)構(gòu)簡單,普遍用于專機(jī)。刀具結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 傳統(tǒng)的鉸刀結(jié)構(gòu)圖
這種結(jié)構(gòu)只有一個(gè)導(dǎo)向套和刀具導(dǎo)向桿輕微間隙配合作為導(dǎo)向,導(dǎo)向是唯一的。但是在加工6M機(jī)體挺柱孔時(shí),幾乎不能保證加工品質(zhì),如圓柱度差,孔徑至少大于檢棒0.015 mm 以上才能過通規(guī);孔的表面品質(zhì)差,粗糙度達(dá)不到圖樣要求,還會出現(xiàn)不同程度的刀痕。如果產(chǎn)生以上品質(zhì)問題,只能通過頻繁地更換使用新刀具來解決。
但頻繁更換新刀具導(dǎo)致最直接的后果是單件工件成本居高不下,而且頻繁換刀也導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下,在大批量生產(chǎn)中是不能接受的。經(jīng)過仔細(xì)推敲分析,以上出現(xiàn)的都是常用的加工方式和常用結(jié)構(gòu)問題,之所以在加工6M機(jī)體挺柱孔時(shí)出現(xiàn)這種問題,是因?yàn)?M機(jī)體零件比較大,挺柱孔在機(jī)體內(nèi)腔中部,孔口離機(jī)體頂面約140 mm,鉸孔深度90 mm(如圖1)。
導(dǎo)向套(刀具的有效導(dǎo)向)和機(jī)體頂面還有一段距離(20~30 mm),也就是說刀具的有效導(dǎo)向位置距離刀具切削位置最長為250 mm,導(dǎo)向與切削的距離懸長過長,機(jī)床- 夾具- 刀具系統(tǒng)中有任何輕微的顫動,都會放大影響到刀尖的正常切削,進(jìn)而會影響到被加工表面品質(zhì);也正是在加工中存在輕微干擾,刀具也加速磨損,不正常的刀具磨損對于鉸刀來說是致命的,使得刀具壽命非常短,同時(shí)也加劇了鉸孔的孔內(nèi)的破壞程度,造成品質(zhì)缺陷[3]。
除了產(chǎn)生加工品質(zhì)問題外,同時(shí),這種方式也很容易使刀具導(dǎo)向與導(dǎo)向套燒傷燒結(jié),進(jìn)而破壞機(jī)床與夾具的精度。刀套燒傷的原因,可能是配合間隙太小,更多是因?yàn)榧庸ふ駝訒r(shí)或者夾有鐵屑時(shí)會引起碰傷導(dǎo)向表面,摩擦生熱進(jìn)而燒結(jié)。同時(shí)也因?yàn)楸容^大徑的刀具,剛性較大,在機(jī)床主軸與導(dǎo)向套同軸度不是很理想時(shí),容易“憋死”,擠壓造成摩擦生熱而燒結(jié)。
改善的鉸刀采用鉸刀前后導(dǎo)向、接桿與主軸浮動連接方式。
從第一種方式分析來看,由于導(dǎo)向位置距離刀尖切削過長,導(dǎo)致加工過長不受控,因此,刀具增加一段前導(dǎo)向,減少刀尖切削時(shí)產(chǎn)生震動和偏移。鉸刀長850 mm,貫穿過整個(gè)機(jī)體,刀刃在中間段,刀具的后部后導(dǎo)向,是以在模板上安裝的軸承導(dǎo)套間隙配合作為導(dǎo)向;刀具的前端前導(dǎo)向,是以夾具底部的固定導(dǎo)套間隙配合作為導(dǎo)向。刀具結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
圖3 改善后的加工方式刀具結(jié)構(gòu)圖
這種方式要求機(jī)床精度保持很高水平,否則,由于前后導(dǎo)向不在同一直線上,使得加工出來的孔圓柱度比較差,不容易通規(guī)。與傳統(tǒng)方法一樣,導(dǎo)向與切削的距離懸長過長,機(jī)床- 夾具- 刀具系統(tǒng)中的輕微顫動,一樣會影響挺柱孔的表面品質(zhì),甚至使孔內(nèi)表面產(chǎn)生明顯刀痕,粗糙度不滿足圖樣要求。
雖然已從刀具結(jié)構(gòu)、刀刃、刀具角度到冷卻、排屑等各方面都加以改進(jìn),但效果還是不理想,不能維持正常的生產(chǎn),最終也棄用這種方案。
擴(kuò)絞擠刀采用刀具前后自導(dǎo)向、接桿部分導(dǎo)向并與主軸剛性連接方式[1],如圖4 所示,即為本文著重介紹的刀具,一種本身自導(dǎo)向的鉸刀。
圖4 本文著重介紹的擴(kuò)鉸擠刀
從工作原理上來說,可以形象稱之為擴(kuò)鉸擠刀。其結(jié)構(gòu)包括刀體4,在刀體4 的前端部焊接有多個(gè)硬質(zhì)合金刀刃的預(yù)鉸孔刀刃段1,中間部分是焊接有多個(gè)硬質(zhì)合金刀刃的多刃鉸刀段2,接著連接一段焊接多個(gè)合金刀刃的后導(dǎo)向段3。其中預(yù)鉸孔刀刃段1 的直徑為d,鉸刀段直徑為D,后導(dǎo)向段直徑為D0,相互關(guān)系為
D- d=0.06~0.20 mm;
D- D0≈0.005 mm。
本刀具焊接式多刃預(yù)鉸孔刀刃段1,即擴(kuò)孔刀頭,外圓保留比較大的圓刃寬度0.8~1.2 mm,預(yù)鉸刀頭是在接桿的導(dǎo)向作用的情況下,開始進(jìn)入切削,在進(jìn)入被加工孔內(nèi)一段深度以后,接桿導(dǎo)向就開始失效,全由預(yù)鉸刀頭引導(dǎo)鉸刀段2 進(jìn)入進(jìn)行精鉸,這時(shí)候預(yù)鉸孔刀刃段的大圓刃,起定心導(dǎo)向的作用,同時(shí)去除大部分鉸孔余量,只留0.06~0.20 mm 的很小的最終精鉸余量給鉸刀段2 加工,使得鉸刀段2 的磨損降到最小,延長了鉸刀段的壽命。鉸刀段2 精加工到尺寸D,因?yàn)閮啥吻邢魅惺峭S復(fù)合刀,兩段刀刃同心,從根本上消除了鉸偏或者鉸不出的隱患[4]。
預(yù)鉸孔刀刃段1 去除了大部分加工余量,去除的單邊余量可達(dá)1.0 mm,可省掉中間的擴(kuò)孔工序,也提高了生產(chǎn)效率。
后導(dǎo)向段3,是鉸刀段后面直接用合金焊接的導(dǎo)向段,直徑比鉸刀段2 小0.005 mm。在加工進(jìn)給中,有了這導(dǎo)向段以已加工孔作為導(dǎo)向的保駕護(hù)航,就能避免機(jī)床- 夾具- 刀具系統(tǒng)中輕微顫動對內(nèi)孔產(chǎn)生劃痕等不良的表面品質(zhì),同時(shí)合金導(dǎo)向段也會對加工后的內(nèi)孔表面產(chǎn)生輕微摩擦、滾壓的作用,使其表面產(chǎn)生一定的塑性變形,達(dá)到修正表面微觀幾何形狀[5],降低表面粗糙度值的目的,其粗糙度可達(dá)Ra 1.6 μm 以下,同時(shí)使得滾壓后的的孔圓柱度精度比較高,從這個(gè)角度上說,刀具的使用壽命得以延長,生產(chǎn)成本也就降低了[6]。
通過整改,使用這把擴(kuò)鉸擠刀進(jìn)行加工,使得孔表面品質(zhì)好,粗糙度可控在Ra 1.6 μm 以內(nèi);加工后的孔精度高,圓度和錐度可控在0.006 mm 以內(nèi)。預(yù)鉸孔刀刃段可去除大部分余量,而鉸刀段切削余量很少,預(yù)鉸孔刀刃段1 可去除單邊達(dá)1.0 mm 的余量,可減少中間擴(kuò)孔工序,有效提高加工效率。預(yù)鉸孔刀刃段和后導(dǎo)向段的自身就起著導(dǎo)向的作用[5],從根本上消除鉸刀段的輕微振動對鉸孔精致的影響。后導(dǎo)向段可對加工后的內(nèi)孔表面產(chǎn)生輕微摩擦、滾壓的作用,進(jìn)一步有效提高孔的精度。預(yù)鉸孔刀刃段和鉸刀段為同軸設(shè)置,而以預(yù)鉸孔刀刃段加工的孔作為導(dǎo)向,不存在擴(kuò)孔和鉸孔的位置度偏差,可保證鉸刀段加工部分鉸穿,有效避免不良產(chǎn)品產(chǎn)生。
基于以上諸多優(yōu)點(diǎn),這種擴(kuò)鉸擠刀可以推廣應(yīng)用到機(jī)械加工領(lǐng)域的孔類加工,特別是在加工工藝比較差且精度要求較高的的深長孔方面,其優(yōu)勢尤為突出。
[1]藍(lán)仁義.一種擴(kuò)鉸擠刀[P].公開號:CN201889550U,2011.
[2]華楚生. 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 重慶:重慶大學(xué)出版社,2003.
[3]周澤華. 金屬切削原理[M]. 上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1984.
[4]王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)(第三版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.
[5]何少平,李國順,舒金波.機(jī)械結(jié)構(gòu)工藝性[M].長沙:中南大學(xué)出版社,2004.
[6]孫大涌.先進(jìn)制造技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.