儲永代，李敏，馮文，劉天

株洲鉆石切削刀具股份有限公司；硬質合金國家重點實驗室

1 引言

硬質合金因具有高強度、高硬度以及良好的耐磨性和耐熱性等優(yōu)異性能，已經成為切削工具中較為重要的材料[1，2]，因此硬質合金數(shù)控刀片在航空航天、汽車和模具等行業(yè)應用廣泛[3，4]。

隨著工藝技術的不斷發(fā)展與進步，高速加工和高精度加工成為機械加工行業(yè)中重要的技術目標，這對數(shù)控刀片提出了高精度的尺寸要求。某種單片精銑刀片可進行高速加工并獲得高精度的加工表面，甚至可以加工出鏡面效果，目前普遍用于模具和汽車等行業(yè)，是一種中心孔和定位面均需磨削的全磨產品。特別是中心孔，在作為裝夾孔的同時與刀片尾部定位面共同參與定位，中心孔尺寸精度及位置精度要求高導致其加工難度大，生產效率低，同時廢品率高，生產成本較高。

國內外關于硬質合金數(shù)控刀片磨削工藝的研究主要集中在磨削砂輪的選擇[5]、磨削工藝參數(shù)[6-8]及圓弧控制夾具[9]等方面，缺乏關于這種高精度數(shù)控刀片磨削工藝方法的系統(tǒng)報道，為解決上述高精度數(shù)控刀片的生產難點，本文優(yōu)化了磨削工藝步驟，針對內孔磨削的關鍵工序設計了一種磨削自定心夾具，并進行了產品磨削實驗，對抽樣檢測的關鍵尺寸進行基于過程能力控制理論的Cpk值計算分析，為解決單片精銑硬質合金刀片的磨削工藝難點提供了思路，為實現(xiàn)高精度產品磨削批量生產提供了重要判斷依據(jù)。

2 產品需求分析

單片精銑刀片是一種典型的高精度硬質合金數(shù)控刀片，結構設計有中心孔，用螺釘銷驅動刀片形成定位面的貼合，尺寸及形位精確要求高，其結構如圖1所示?？芍行目譫和定位面A、B的尺寸精度和位置精度要求很高。中心孔d的控制公差為±0.005mm，中心孔d與定位面A、B的位置度公差為φ0.01mm，中心孔d與端面的垂直度小于0.005mm；定位面A、B的夾角公差為±5′，定位面A、B與端面的垂直度小于0.005mm。該系列部分產品中心孔d在φ5mm及以下，磨削砂輪尺寸受到限制。綜上，該產品作為超精加工系列，對尺寸及形位公差要求均很高，是典型的難磨削加工產品。

圖1 典型的單片精銑刀片尺寸

3 磨削工藝分析

3.1 磨削工藝路線的確定

從產品結構與設計要求分析，刀片中心孔的孔徑精度和位置度控制是該類產品磨削控制的難點。為解決上述工藝難點，磨削生產主要采用以下兩種工藝路線，即中心孔基準磨削和定位面基準磨削。

中心孔基準磨削：磨雙端面—磨中心孔—磨周邊V形定位面—開刃。

定位面基準磨削：磨雙端面—磨周邊V形定位面—磨中心孔—開刃。

兩種磨削方案分別采用通用的雙端面磨床與數(shù)控五軸加工中心加工產品雙端面及切削刃部，均可較好地保證產品精度且工藝十分成熟，不同之處主要在于中心孔與周邊V形面的加工順序及具體的工藝方案，主要工藝難點均為加工小尺寸中心孔的方法并保證中心孔精度及與周邊V形面的位置精度。為追求高效和低成本的目標，磨削工藝方案應具備操作簡單、高效和經濟的特點，下文通過對比兩種方案所采用工藝方法的優(yōu)缺點，尋求更適合的工藝路線并確定方案。

中心孔基準磨削方案為先加工中心孔再以中心孔為基準磨削周邊V形面。因先加工中心孔時無須精確保證其與定位面的位置度要求，所以中心孔的精度易保證，且有專門針對此類高精度中心孔加工的專業(yè)設備，但在后續(xù)以中心孔為基準加工周邊V形面時，兩者的位置精度較難保證，需要復雜的夾具和工藝方法才能實現(xiàn)，會導致加工成本高、生產效率低及合格率低等問題。

V形定位面基準磨削方案則為先加工周邊V形定位面，再以周邊V形面為基準磨削加工中心孔。同理，不精確保證中心孔與V形定位面的位置度，僅加工周邊V形定位面非常簡單，此方案的關鍵在于利用周邊V形定位面的精基準定位刀片并精確保證中心孔相對定位面的位置度，而設計專用中心孔磨削夾具既可提高精度尺寸的控制，又可進一步減小定位面到中心內孔距離L1和L2的差值(見圖1)，提高中心孔位置度的一致性。

通過上述分析，對高精度單片精銑刀片的磨削采用定位面基準磨削方案，即先磨削V形定位面再開發(fā)專用中心孔加工夾具磨削中心孔。

3.2 內孔磨削夾具設計

基于上述先磨削V形定位面后磨削中心孔的工藝，需要設計專用的內孔磨削夾具。圖2為內孔磨削自定心夾具，通過簡單的機械原理能夠保證孔中心與周邊V形面的位置精度，并具有自定心功能，操作簡單可靠。

1.連接軸 2.定位座 3.精銑刀片半成品4.雙頭螺釘 5.壓塊 6.頂絲

內孔磨削自定心夾具包括連接軸、定位座、壓塊和被磨削刀片，連接軸為柄部與芯軸組成的同軸階梯圓，定位座設有與刀片定位面配合的V形定位面，定位座與連接軸上的芯軸配合連接，通過頂絲鎖緊。改變連接軸上芯軸規(guī)格，可實現(xiàn)磨削不同規(guī)格尺寸產品，而且可以通過壓板固定刀片。

圖3為內孔磨削自定心夾具磨削刀片中心孔時的裝配示意圖。將刀片的V形面定位面作為定位基準與夾具的定位座V形面貼合定位，夾具座V形面又與連接軸的定位芯軸貼合定位，且滿足中心孔與V形定位面之間的距離等于定位芯軸中心到V形定位面之間的距離(L1=L2=R，即刀片中心孔與夾具回轉中心同軸)。此時可精確保證磨削中心孔時的尺寸精度和位置度公差。

圖3 內孔磨削自定心夾具裝配

夾具較巧妙地解決了先磨削周邊V形定位面后磨削小中心孔方案中存在的工藝難點，同時在批量加工時不需要找正刀片內孔就能夠快捷、精準地加工產品，具有簡單可靠、定心精度高、操作方便和加工效率高的優(yōu)點，也使得工藝方案具備了高效和低成本的優(yōu)勢。

3.3 磨削尺寸的驗證分析

為保證小直徑內孔的高磨削效率，采用多主軸內孔專用磨床，內孔磨削加工時主軸轉速大于30000r/min，以實現(xiàn)內孔的粗、精加工。內孔磨削自定心夾具首次安裝在設備主軸上時找正跳動，后續(xù)磨削僅更換刀片即可，無須再次找正。為驗證內孔磨削工裝精度保障能力，跟蹤現(xiàn)場刀片中心孔磨削具體加工情況，抽樣檢測產品精度。實際加工產品按連續(xù)抽樣及隨機抽樣的方式共抽取50片以統(tǒng)計中心孔徑的數(shù)據(jù)，并對小批試制產品的過程能力指數(shù)Cpk值進行計算分析。

根據(jù)過程能力控制理論，Cpk評級標準等級中規(guī)定：當滿足1.67≥Cpk≥1.33時，Cpk評級達到A級，規(guī)定的處理原則為狀態(tài)良好維持現(xiàn)狀，即可達到批量生產的控制能力[10，11]。Cpk值的計算公式如式(1)所示，其中制程準確度Ca和制程精密度Cp的計算公式分別如式(2)和式(3)所示。

Cpk=CP(1-|Ca|)

(1)

Ca=2(X-C)/T

(2)

Cp=T/6σ

(3)

式中，X為取樣數(shù)據(jù)平均值；C為公稱尺寸；T為公差；σ為取樣數(shù)據(jù)標準差。

圖4為抽樣50片產品中心孔孔徑的波動情況。從實際檢測結果可知，產品中心孔d滿足±0.005mm尺寸精度要求。

圖4 抽樣產品中心孔孔徑波動情況

表1為取樣50片產品中心孔的孔徑過程能力指數(shù)Cpk值的計算過程及數(shù)值?？梢缘贸?，內孔磨削夾具磨削的中心孔孔徑過程能力指數(shù)Cpk為1.36，根據(jù)控制理論可知，中心孔孔徑的磨削工藝已經達到尺寸精度及批量生產的要求。表2為中心孔位置度的過程能力控制指數(shù)Cpk值計算過程及數(shù)值。中心孔位置度Cpk值可達1.34，滿足批量生產的條件。

表1 中心孔孔徑的過程能力指數(shù)Cpk值計算

表2 中心孔位置度過程能力指數(shù)Cpk值計算

圖5為抽樣25片產品中心孔位置度的波動情況(每片產品有兩個位置度尺寸)。由實際檢測結果可知，產品中心孔的位置度滿足φ0.01mm的控制要求。

圖5 抽樣產品中心孔位置度的波動情況

4 結語

單片精銑硬質合金刀片的磨削加工是一個復雜過程，工裝對產品的加工難度、精度保證和工藝要求均有重要影響。通過優(yōu)選磨削工藝方案，設計內孔自定心磨削夾具對中心孔進行磨削加工，并對高精度精銑刀片關鍵磨削尺寸的過程能力指數(shù)Cpk值進行分析，得出如下結論。

(1)通過工藝分析，定位面基準磨削方案更能保證磨削精度，以定位面為定位基準再磨削中心孔的工藝步驟更有利于保證中心孔的尺寸精度和位置度。

(2)基于內孔磨削夾具結構能實現(xiàn)高精度中心孔孔徑的精度控制，中心孔孔徑過程能力指數(shù)Cpk值可達1.36，可進行批量生產。

(3)通過工藝優(yōu)化，中心孔與定位面之間的位置度過程能力指數(shù)Cpk值達1.34，可進行批量生產。