凸輪軸切削刀具的優(yōu)化

王海棠

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

凸輪軸切削刀具的優(yōu)化

王海棠

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

介紹總結(jié)了棒料凸輪軸的材料由合金結(jié)構(gòu)鋼（20Cr）變更為難加工的較高含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（50Mn）后，從分析材料特性入手，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，通過改變切削參數(shù)、加工工藝、對(duì)比試驗(yàn)以及結(jié)合刀具涂層技術(shù)等方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)線的刀具優(yōu)化并提高了生產(chǎn)效率降低刀具成本。

凸輪軸材料加工工藝刀具切削參數(shù)優(yōu)化

1 前言

切削加工作為制造技術(shù)的主要基礎(chǔ)工藝，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，在20世紀(jì)末取得了很大的進(jìn)步，進(jìn)入了以發(fā)展高速切削、開發(fā)新的切削工藝和加工方法，提供成套技術(shù)為特征的發(fā)展新階段。先進(jìn)機(jī)加工生產(chǎn)工藝的出現(xiàn)，往往使機(jī)加工過程更簡(jiǎn)捷，加工效率更高，其要求刀具的精度、壽命更高、結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜。

切削刀具的切削性能對(duì)提高機(jī)械加工效率和被加工產(chǎn)品的質(zhì)量起著非常大的作用，切削刀具材料的好壞，對(duì)切削性能又起著關(guān)鍵作用[1]。切削刀具的性能已成為零部件生產(chǎn)線提高加工工藝技術(shù)水平、生產(chǎn)效率、制造精度和降低成本的重要保證。

2 凸輪軸材料特性比較

凸輪軸原使用20Cr，需滲碳，熱處理時(shí)間長，成本高，是生產(chǎn)中的一大瓶頸口，后更改為50Mn。圖1為凸輪軸的生產(chǎn)工藝流程。

20Cr屬于合金結(jié)構(gòu)鋼，含碳量0.18%~0.24%，鋼材退火或高溫回火供應(yīng)狀態(tài)下布氏硬度HB不大于179，抗拉強(qiáng)度835 MPa，滲碳、淬火后硬度HRC不大于59。主要特點(diǎn)是：表面硬度高，心部強(qiáng)度較高，韌性好。而50Mn屬于含錳量較高的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，含碳量0.5%左右，鋼材退火或高溫回火供應(yīng)狀態(tài)布氏硬度HB不大于217，抗拉強(qiáng)度635 MPa，淬火后硬度HRC可達(dá)59。主要特點(diǎn)：不適于滲碳，強(qiáng)度較高，塑性及韌性好，經(jīng)調(diào)質(zhì)后能獲得良好的綜合機(jī)械性能。

與20Cr相比，50Mn含碳量較高，強(qiáng)度好，不需作滲碳處理，加上韌性好，抗彎能力強(qiáng)。凸輪軸采用50Mn材料，可以省去滲碳工藝，提高了熱處理效率，解決生產(chǎn)線中的一大瓶頸。但由于50Mn的材料特性，比較粘，容易粘刀，因此在加工上比20Cr相對(duì)難處理一些。

圖1 凸輪軸工藝流程

3 刀具改進(jìn)與切削參數(shù)優(yōu)化

凸輪軸材料的變更，直接影響加工刀具產(chǎn)生變化。凸輪軸刀具的選型主要從高錳鋼材料特性、凸輪軸工藝特點(diǎn)、機(jī)床性能、運(yùn)用刀具開發(fā)新的切削工藝和加工方法、生產(chǎn)高效率、低加工成本等方面考慮。

3.1 銑兩端面鉆中心孔、套車外園（20#）

加工設(shè)備為YZJ758-0006銑鉆專機(jī)，加工余量3.5mm，切削參數(shù)：n=250 r/m im，v=78.5m/m in。

此道工序原來使用YT14銑刀片，YT14是國產(chǎn)銑刀片，相當(dāng)于ISO標(biāo)準(zhǔn)中的P20類。其特點(diǎn)為使用強(qiáng)度高，抗沖擊性能和抗振動(dòng)性能好，耐磨性及允許的切削速度高，適用加工鋼、鑄鋼、鑄鐵、不銹鋼等材料的精加工、半精加工。YT14在加工20Cr材料銑兩端面時(shí)，每5片（100 mm的五齒銑刀盤）約加工80根凸輪軸；而加工50Mn時(shí)，則只能加工10根。現(xiàn)改為SPKN 1504EDTL JC5030及SPKN 1504EDTR JC5030（簡(jiǎn)寫為JC5030），JC5030是日本黛杰公司（DIJET）的銑刀，相當(dāng)于ISO的M 30類，經(jīng)過TiALN涂層，有較好硬度、耐磨性，能適于加工碳素鋼、合金鋼等，該銑刀加工20Cr和50Mn的差異較小。表1為這2種銑刀片加工不同材料零件的比較。可見，加工20Cr凸輪軸時(shí)，JC5030銑刀片的優(yōu)越性并不突出，而加工50Mn材料時(shí)，JC5030的性價(jià)比充分顯現(xiàn)出來。

表1 YT14和JC5030銑刀片比較

3.2 粗車外圓（40#）

加工設(shè)備為CE7132仿型車床，加工余量為3 mm，切削深度為1.5 mm，切削參數(shù)：n=510 r/m in，v=104m/m in，S=0.20mm/r。

原刀具為YT15/4K1914E04，加工20Cr材料時(shí)，性能良好，但用于50Mn材料時(shí)，使用壽命大幅度縮短。這是因?yàn)閅T15刀具為鎢鈷鈦鈮合金，相當(dāng)于ISO標(biāo)準(zhǔn)的P30類，強(qiáng)度很高，抗沖擊和抗振動(dòng)性能好，不易崩刃，但耐磨性較差。原來使用的為四方形刀片，一開始將目標(biāo)放在進(jìn)口涂層刀片上。依據(jù)原來刀排型號(hào)，刀片型號(hào)對(duì)應(yīng)于ISO標(biāo)準(zhǔn)刀片SCGM 190408L，然后在切削參數(shù)不變或提高轉(zhuǎn)速的情況下分別對(duì)ISCAR、SANDVIK、SECO、TeaguTec、DIJET等幾個(gè)品牌的產(chǎn)品進(jìn)行試用，結(jié)果都不理想。加工出來的工件表面發(fā)緊（即工件表面不平滑，凹凸不平），可見涂層刀具的切削刃鋒利性、韌性、抗崩刃性能均不及未涂層的刀具，對(duì)于有氧化外皮的粗加工、強(qiáng)力切削等均不適宜。

根據(jù)加工對(duì)象的材料特性，最終選擇國產(chǎn)刀片YW1和YW2分別試驗(yàn)，YW2更為理想。第一，YW 2刀具為鎢鈷鈦鉭合金，相當(dāng)于ISO標(biāo)準(zhǔn)的M20類，耐磨性優(yōu)于YT15，強(qiáng)度也很高，能承受較大的沖擊負(fù)荷，適用于耐熱鋼、高錳鋼、不銹鋼及高級(jí)合金鋼等特殊難加工鋼材的精加工和半精加工；其次，由于機(jī)床線速度低，剛性差，加工工件凸輪軸的長度過長，又沒有中心架支撐，機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)的抖動(dòng)與刀具進(jìn)給的顫動(dòng)一起產(chǎn)生共振。所以應(yīng)選擇磨削阻力小（刀片安裝角度是正前角）、刃口鋒利、強(qiáng)度高、耐沖擊的刀片。綜合這兩方面的因素，YT15在加工50Mn材料時(shí)強(qiáng)度不夠，顯得軟一些，而YW2在加工20Cr時(shí)又顯得偏脆，更適用于加工50Mn。表2是這2種刀片加工不同材料零件的比較。

本次2 000 例篩選對(duì)象中，1 008例低危人群，占50.40%（1 008/2 000 ）；517例中危人群，占20.85%（517/2 000）；475例高危人群，占23.75%（475/2 000 ）。

表2 YT14和JC5030銑刀比較

3.3 修正開檔（50#）

加工設(shè)備為CKA6763數(shù)控開檔車床，切削參數(shù)為n=560 r/m in，S=0.28mm/r，粗糙度為Ra 12.5。

更換50Mn材料后，原來使用的SANDVIK割槽刀不能滿足生產(chǎn)節(jié)拍，而且切削效率也降低。在比較了幾種割槽刀后，最終ISCAR的達(dá)到相對(duì)比較好的結(jié)果。表3為這2種刀片加工20Cr和50Mn材料時(shí)的比較。

表3 YT14和JC5030銑刀比較

3.4 車凸輪外形（80#）

加工設(shè)備為JSC1048A凸輪多刀車床，所用刀具為12×12白鋼刀（D211-4002），切削參數(shù)：n= 425 r/m in，S=0.04 mm/r，v=90 m/m in，粗糙度要求為Ra 6.3。

JSC1048A機(jī)床轉(zhuǎn)速和線速度都較低，并且無法提速（曾經(jīng)多次做過提速試驗(yàn)，均未成功），不適合現(xiàn)代新型的刀具。涂層刀具及硬質(zhì)合金刀具適用于高速切削，具有高效率、高精度、高可靠性和專用化的特點(diǎn)，但在JSC1048A這種機(jī)床上卻無法表現(xiàn)出其優(yōu)越性。雖然做過大量的刀具試驗(yàn)，但沒有成功。其次，此道工序要從直徑58mm的圓形加工出凸輪形，加工余量大，加工時(shí)依靠工件旋轉(zhuǎn)和刀具交錯(cuò)進(jìn)給完成，硬質(zhì)合金刀具不能像高速鋼刀具那樣能夠承受大的切削振動(dòng)和沖擊負(fù)荷。高速鋼5F-6（W 10Mo4Cr4V3AL）與6542（W6Mo5Cr4V4）相比，有較高的硬度、耐熱性、熱塑性和強(qiáng)度、韌性及耐磨性。表4為這2種刀片加工20Cr和50Mn材料時(shí)的比較。

表4 6524和5F-6高速鋼刀具比較

加工此道工序時(shí)，由于凸輪軸淬火硬度應(yīng)達(dá)到58~62HRC，所以一般的硬質(zhì)合金刀具加工時(shí)，壽命較差，加工成本較高。因此需選擇帶涂層的硬質(zhì)合金鉆頭。

凸輪軸的鉆孔直徑5.8 mm，鉆深8 mm，鉆深是直徑的1.4倍。此道工序原來使用120°中心鉆、5.8 mm硬質(zhì)合金麻花鉆；現(xiàn)更改為使用5.8 mm SANDVIK的Delta-C鉆頭。這是一種新式鉆頭，此類鉆頭由于采用專門的幾何刃型（2=140°，且多層TiN/TiALN涂層）使鉆頭具有自定心功能，在鉆削大多數(shù)工件材料時(shí)具備良好的切削控制及排削性能。該鉆頭的自定心功能和嚴(yán)格控制的制造精度可確?？椎你@削質(zhì)量，鉆削后不需要再進(jìn)行后續(xù)精加工。此類鉆頭的使用不但可以省去中心鉆，而且由于轉(zhuǎn)速、線速度各提高3倍，生產(chǎn)效率大幅提高，成本降低。

在相同的切削參數(shù)下，n=3 200 r/m in和v= 450 m/m in，選擇了SANDVIK、TTTEX、SECO和OSG幾種品牌的此類鉆頭進(jìn)行了50Mn凸輪軸鉆孔對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5 不同鉆頭的比較

鉆頭使用之后需刃磨，但刃磨后原來的涂層就沒有了，需重新涂層，TiN涂層在刀具中應(yīng)用最廣，還有一種納米技術(shù)的TiALN涂層，使覆蓋表面產(chǎn)生絕緣層，穩(wěn)定性好，表面硬度高，耐磨性提高，加工溫度高而鐵屑不粘刀。

刀具涂層提高了刀具的使用效率。TiALN化學(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化磨損，加工高合金鋼、不銹鋼、欽合金、鎳合金時(shí)，比TiN涂層壽命提高3-4倍。在TiAlN涂層中如果有較高的Al濃度，在切削時(shí)涂層表面會(huì)生成一層很薄的非品態(tài)AL2O3，形成一層硬質(zhì)惰性保護(hù)膜，該涂層刀具可更有效地用于高速切削加工。表6是用過的SANDVIK鉆頭刃磨后的2種不同涂層的效果比較。

表6 Delta-C鉆頭不同涂層的效果比較

4 結(jié)束語

經(jīng)過刀具改進(jìn)后，凸輪軸生產(chǎn)線的刀具消耗明顯下降：原來粗加工生產(chǎn)線的平均刀具消耗成本為4.65元/工時(shí)，精加工線的平均刀具成本為4.97元/工時(shí)，現(xiàn)在依次分別為4.11元/工時(shí)和4.65元/工時(shí)。

目前，凸輪軸生產(chǎn)線粗加工線中的機(jī)床比較陳舊、落后，線速度低、轉(zhuǎn)速低、剛性差，可供選擇的刀具有限，許多新型的高效刀具無法發(fā)揮作用。機(jī)床是長期效益的投入，機(jī)床落后直接表現(xiàn)為刀具消耗高、生產(chǎn)效率低。凸輪軸刀具的進(jìn)一步改進(jìn)，應(yīng)和機(jī)床更新、改造同時(shí)進(jìn)行，才能取得良好的收益。

1袁錫璠主編.現(xiàn)代機(jī)械制造工藝裝備標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

Optim ization of Cam shaft Cutting Tool

Wang Haitang (Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China)

Machining of camshaft becomesm ore difficult w hen bar material changes from 20Gr(alloy steel)to 50Mn(high quality carbon structural steel).This problem is solved by analyzing material property,changing cutting parameter and m achining process,applying cutting tool coating as w ell as making com passion test w ith consideration of existing production condition,w hich optim izes cutting tool,improve productivity and extend cutting tool operational life.

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來稿日期：2009-03-17

王海棠(1976－)，女，工程師，主要研究方向?yàn)榈毒呒夹g(shù)及應(yīng)用。