劉鵬

（中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

1 引言

隨著鐵路機(jī)車車輛進(jìn)入高速時代，其制動系統(tǒng)的集成化、模塊化、緊湊化的要求越來越高，制動系統(tǒng)中的空氣控制閥也逐漸由單一功能向復(fù)合功能轉(zhuǎn)變，作為關(guān)鍵部件之一的閥體（如圖1），其設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，加工質(zhì)量的高低直接影響到制動系統(tǒng)的整體性能，為此閥體的加工質(zhì)量和效率一直是廠家比較重視的問題，而閥體中活塞孔的加工又是閥體之中的關(guān)鍵工序，由于多個孔呈階梯狀布置構(gòu)成各類孔系，如果對其分開加工則形位公差很難保證，屬于難加工工序。因此需要設(shè)計(jì)專用復(fù)合刀具對這些有相互關(guān)系的階梯孔同時加工，由專用復(fù)合刀具來保證孔的形位公差，并提高生產(chǎn)效率。機(jī)卡結(jié)構(gòu)的復(fù)合刀具可以克服傳統(tǒng)的焊接結(jié)構(gòu)復(fù)合刀具靈活性差、設(shè)計(jì)制造時間長等缺點(diǎn)，能適用于鐵路產(chǎn)品多品種小批量的生產(chǎn)模式。

圖1 閥體

2 機(jī)卡復(fù)合刀具的概述

機(jī)卡復(fù)合刀具（如圖2）是將多個相鄰加工部位的加工刀具組合成一體，并采用刀片結(jié)構(gòu)的專用刀具。它能在一次加工過程復(fù)合完成多工序加工，具有加工效率高、質(zhì)量可靠的加工優(yōu)點(diǎn)。

圖2 機(jī)卡復(fù)合刀具

機(jī)卡復(fù)合刀具有以下特征：可減少刀具使用數(shù)量，一次完成多個加工要素的加工，減少刀具安裝、刀具交換和刀具在刀庫與加工部位之間來回行走的時間，提高生產(chǎn)率；采用刀片結(jié)構(gòu)，刀具磨損后刀片更換方便，可提高刀桿的利用率，降低刀具采購成本；采用標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)，可縮短刀具的設(shè)計(jì)和制造周期；可保證加工要素之間的相互位置精度，提高工藝穩(wěn)定性。

3 機(jī)卡復(fù)合刀具在閥體加工中的應(yīng)用

我公司生產(chǎn)的閥類零件，其關(guān)鍵加工要素為孔系，一是孔的尺寸及幾何精度要求高且數(shù)量多；二是表面粗糙度低，加工過程中孔的表面不允許有任何劃傷；三是各孔之間位置精度要求嚴(yán)格。圖3是我公司典型的孔系組成圖。

圖3 典型孔系組成圖

由于加工方法類似，本文以圖3為例進(jìn)行工藝分析和刀具設(shè)計(jì)。閥體的材料通常為變形鋁合金6082或者6061，經(jīng)過淬火和人工時效后，機(jī)械加工成成品，圖3所示的孔系由10個孔組成，孔的功能可以分為導(dǎo)向部、密封部、活塞行程空間三種，對于導(dǎo)向部尺寸精度和形位公差要求較高，密封部表面粗糙度要求較高，活塞行程空間對孔的深度要求較高，以圖3為例主要技術(shù)條件有：（1）幾何精度。10個孔的最高尺寸精度為圖3中密封部，其尺寸精度為IT7，其余孔為IT8或IT9。（2）形狀精度?？椎男螤罹纫笸S度為IT7，對于孔其圓度公差按照本廠規(guī)定，在沒有特殊要求的時候，孔的圓度公差控制在不超過孔徑尺寸公差的一半。（3）表面粗糙度。密封部的粗糙度≤Ra1.6，其余孔的粗糙度為≤Ra3.2。

根據(jù)技術(shù)要求，該孔系主要以鉆、粗鏜、精鏜的加工方法為主，采用傳統(tǒng)加工方法加工與采用復(fù)合刀具方法加工兩種工藝方案的對比見表1。

通過加工時間的比較可以看出，復(fù)合刀具的使用可以極大地縮短刀具的切削時間，由于刀具數(shù)量的減少，可以進(jìn)一步縮短加工過程中換刀時間、空行程時間等，從而使生產(chǎn)效率得到較大提高，由于刀具數(shù)量的減少，尤其是精鏜刀的減少，可以降低刀具采購和維護(hù)費(fèi)用。

復(fù)合刀具的使用可以有效地改進(jìn)產(chǎn)品加工質(zhì)量，尤其可以避免由于多次換刀產(chǎn)生換刀精度對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，如表2所示。

4 機(jī)卡復(fù)合刀具的設(shè)計(jì)

本文所指機(jī)卡復(fù)合刀具主要為同類工藝復(fù)合刀具復(fù)合鉆、復(fù)合擴(kuò)、復(fù)合鏜等。設(shè)計(jì)時應(yīng)注意以下問題：

4.1 排屑槽的設(shè)計(jì)問題

機(jī)卡復(fù)合刀具同時參加切削的刀齒數(shù)量較多，通常在3個或者3個以上，切削時會產(chǎn)生大量切屑，由于加工余量的不一致，切削寬度的不同會導(dǎo)致切屑的寬度大小存在差異，因此容屑空間的大小、排屑過程是否通暢不僅會影響生產(chǎn)效率，也會影響被加工表面質(zhì)量好壞，嚴(yán)重時還會產(chǎn)生崩刃和刀具折斷等現(xiàn)象，甚至還會損壞機(jī)床，因此復(fù)合刀具的排屑問題十分重要。可以通過以下措施改善排屑狀況：（1）增加刀具中心冷卻液噴口：冷卻液能精準(zhǔn)直達(dá)刀片前刀面與切屑之間的切削區(qū)域，這有效延長了刀具壽命，通過高壓的冷卻液流動，可以將加工產(chǎn)生的切屑順著排屑槽排出，使得加工過程更可靠。（2）改善槽形：標(biāo)準(zhǔn)單孔加工刀具（如鉆頭、鉸刀）因齒數(shù)較多，容屑空間較小，若復(fù)合刀具采用傳統(tǒng)刀具的槽型，會由于容屑空間小而出現(xiàn)切屑互相干擾和阻塞的現(xiàn)象。因此，在設(shè)計(jì)復(fù)合刀具時，應(yīng)考慮在刀齒強(qiáng)度允許的前提下，適當(dāng)優(yōu)化槽形設(shè)計(jì)、增大容屑空間。（3）采用錯齒結(jié)構(gòu)：復(fù)合刀具采用圖5所示的錯齒結(jié)構(gòu)，使直徑不同的刀片切下的切屑都有各自的排屑通道，這樣可使切屑互不干擾，排屑暢通。

表1 傳統(tǒng)加工方法方案與復(fù)合刀具加工方案對比

表2 改進(jìn)前、后控制圖及工藝能力系數(shù)比較表

4.2 機(jī)卡復(fù)合刀具尺寸調(diào)整的問題

機(jī)卡復(fù)合刀具分為用于粗加工定尺寸刀具（如圖4），工件的加工精度常取決于復(fù)合刀具本身的尺寸精度；精加工可調(diào)整尺寸的刀具（如圖5），加工精度與復(fù)合刀具的結(jié)構(gòu)與調(diào)整方法有關(guān)。根據(jù)被加工尺寸的精度范圍，可以選用不同的調(diào)整機(jī)構(gòu)。必須指出，在設(shè)計(jì)復(fù)合刀具時，當(dāng)加工孔的直徑偏差為IT7-6級而表面粗糙度要求Ra1.6～1.8的孔，尤其是直徑較大的孔，為了便于控制加工尺寸，應(yīng)設(shè)有微調(diào)裝置。圖6是一種較為簡單的調(diào)整裝置，通常適用于IT7-8級、Ra1.8～3.2的孔，其結(jié)構(gòu)簡單，采購方便，裝刀容易，調(diào)整迅速。

圖4 復(fù)合刀具1

圖5 復(fù)合刀具4

圖6

刀夾組裝好后安裝于刀具體上，在生產(chǎn)加工之前使用對刀儀通過調(diào)整件3和件6分別進(jìn)行軸向尺寸和徑向尺寸的調(diào)整，在加工過程中也可以使用相應(yīng)的工具依據(jù)測量的結(jié)果進(jìn)行尺寸調(diào)整。

5 切削用量的選擇

要保證刀具使用效果達(dá)到要求，就需要選定好切削用量。如鉆擴(kuò)復(fù)合，進(jìn)給量要受鉆頭限制，而切削速度受鉸刀限制，要是按鉸刀確定進(jìn)給量則鉆頭承受不了，要是按鉆頭確定切削速度，則鉸孔質(zhì)量難以保證。同類復(fù)合刀具進(jìn)給量應(yīng)以直徑最小的刀具選定，切削速度應(yīng)以最大直徑的刀具選定。不同類的復(fù)合刀具，一般以大、小直徑的平均值，并考慮加工精度要求綜合選定切削用量。

6 結(jié)論

綜上所述，對復(fù)雜閥類零件而言，鑒于其加工要素多、精度要求高的特點(diǎn)，在多品種少批量生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)卡復(fù)合刀具將更能發(fā)揮其效益，企業(yè)如果在復(fù)合刀具的設(shè)計(jì)上、工藝上實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，并形成公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，可以節(jié)約生產(chǎn)成本。