一種新型刀具在鋼板雙面坡口加工中的應用

南車株洲電力機車有限公司 （湖南 412001） 段清臣 陳積翠 郭建勛

X形坡口（俗稱“雙面坡口”）是電力機車車體底架蓋板焊接常用的接頭形式，用于減少焊接變形，提高焊接質量。

蓋板雙面坡口的加工由于其產品結構的特殊性，存在作業過程不安全以及加工效率低等問題，一直是制約車間產能發展的瓶頸。

圖1 蓋板結構示意圖

圖2 蓋板翻邊圖

1. 現有加工工藝及問題分析

蓋板結構如圖1所示。蓋板材質為12mm的低溫壓力容器鋼板16MnDR，長寬尺寸分別為4 089mm、1 396mm，需加工兩長邊及兩短邊30°雙面坡口，鈍邊尺寸為2mm。

通常，平板類配件雙面坡口在數控銑床加工的加工工藝為：①使用普通坡口銑刀加工一面。②翻面。③加工另一面。存在以下兩個問題：

（1）存在安全隱患。由于蓋板尺寸較大（4 091mm×1 394mm）、單質量較大（500kg），使用鋼絲繩配合天車進行翻面作業時，在翻面的臨界狀態下，板料突然下墜產生較大的沖擊力作用于鋼絲繩，存在安全隱患。

（2）加工效率偏低。蓋板四邊均有雙面坡口，翻邊（見圖2）后重復上料、定位裝夾，導致生產輔助時間過長，加工效率較低。

因此，可設計一種新結構形式的坡口銑刀，通過一次走刀完成上下兩面坡口的加工，消除翻邊作業風險，提高加工效率。

2. 刀具優化設計

坡口銑刀是金屬切削行業加工板料坡口所常用的一種刀具。在刀具設計時，根據所加工板料坡口的角度θ，通過調整刀具主偏角kr，實現板料坡口的加工。

結合現有單面坡口銑刀的結構（見圖3），創造性地提出了一種可一次走刀完成雙面坡口加工的銑刀結構方案（見圖4）。從結構上看，就是將兩把單面坡口銑刀在頂端聯接起來。加工時，上部切削刃完成正面坡口加工，下部切削刃完成反面坡口加工，實現單次走刀完成板料雙面坡口加工的設想。

圖3 單面坡口銑刀結構及加工示意圖

圖4 雙面坡口銑刀結構及加工示意圖

圖5 A型銑刀結構示意圖

圖6 A型銑刀實物

圖7 裝夾示意圖

圖8 A型銑刀加工圖

3. 第一代雙面坡口銑刀應用

（1）刀具結構。明確刀具設計思路及方案后，我們與刀具制作商聯系，制作了第一代雙面坡口銑刀（后文稱“A型銑刀”）。

A型銑刀結構如圖5、圖6所示。從刀體結構上來看，A型銑刀為立裝結構（刀片切向排列），上下兩排共32個刀片槽錯位排列。刀體最大直徑170mm，刀體厚度65mm；所使用刀片分左右兩種，型號分別為LZYB098X及LZYB098XL；配套刀柄型號BT50-XM40-75，該刀具實際安裝重量（含刀柄）為11.5kg。

（2）刀具使用效果。該刀具交付車間使用后，我們立即著手開展刀具切削試驗。如圖7、圖8所示，蓋板類配件加工雙面坡口時，配件下面采用專用墊板墊高20～30mm，同時將配件加工邊伸出墊板30～40mm，以避免墊板、機床工作臺與刀具發生碰撞。

根據刀具廠商提供的理論切削參數，結合機床狀況及配件裝夾狀態，經過反復切削試驗，最終將該刀具的基準切削參數確定為：轉速n=350r/min，進給速度vf=700mm/min。同時，獲得了刀片單個切削刃的切削壽命為62.2m。

新刀具投入使用后，蓋板類配件在車間的單件加工時間由原來的45min降至30min，加工效率提高了30%以上。

（3）存在的問題。A型銑刀從功能上基本實現設計意圖，但隨著此類型配件的大批量投產，該刀具暴露出的一些問題影響了加工效率的進一步提升。總結起來有以下幾點：

刀具自重大。蓋板類配件雙面坡口的純加工時間較短，加之部分蓋板兩端雙面坡口角度不同時進行換刀，而該刀具的安裝重量（含刀柄）達11.5kg，操作工進行頻繁換刀消耗了大量體力，影響其作業情緒。

加工振動較大。由于刀具直徑為170mm，加工時主軸軸線離切削部位較遠（85mm），懸伸較長，易造成主軸在加工中因剛性不足出現振動，影響坡口表面質量；同時，劇烈的加工振動降低了刀具的使用壽命，對機床的精度和使用壽命也有影響。

換刀片繁瑣。該刀具上下共安裝有32個刀片，在切削狀態穩定的情況下，相同位置切削刃的磨損程度基本一致。當切削刃出現較深磨損時，大量換刀片耗時較長。

因此，我們決定從減少刀具自重及消除加工振動兩個方面入手對刀具結構進行優化。具體如下：①將刀具直徑由170mm減小至100mm以內，從根本上減輕重量。②縮短主軸與切削部位的距離，縮短刀具懸伸，增加其剛性，進而減少加工振動。③將刀體結構由立裝改為平裝，提升刀具容屑空間，減少刀槽數量，以適應蓋板類配件輕快切削的加工狀況，同時減少更換刀片數量。

圖9 B型銑刀結構示意圖

圖10 B型銑刀實物

4. 第二代雙面坡口銑刀應用

（1）刀具結構。確定刀具優化方向后，我們與刀具制作商聯系，制作了第二代雙面坡口銑刀（后文稱“B型銑刀”）。

從刀體結構上來看，B型銑刀（見圖9、圖10）采取刀片平裝結構，上下兩排共8個刀片槽等距排列；刀體最大直徑100mm，刀體厚度43mm；所使用刀片型號為SPMT 120408-WH；配套刀柄型號BT50-XM32-75，該刀具實際安裝重量（含刀柄）為7.5kg。

（2）刀具使用效果。該刀具采購到位后，我們立即著手開展切削試驗，獲取了合適的切削參數及刀片使用壽命。同時，對前后兩個方案的刀具分別從結構、切削參數、經濟性上進行了全面的對比。

由表1可知，優化后刀具安裝重量由之前的11.5kg減至7.5kg，減重近35%；同時，刀片安裝數量由32片減至8片，大大降低了操作者的勞動強度。

由表2可知，優化后刀具轉速由350r/min提升至800r/min，進給速度由750mm/min提升至1 000mm/min，加工效率提升了33%左右。同時，優化后刀具軸線距加工邊的距離由85mm減少至50mm，有效地降低了因裝夾狀況不良造成的切削振動，既保證了坡口面的加工質量，又避免了機床精度及使用壽命的降低。

由表3可知，優化后蓋板類配件雙面坡口的每米加工成本由4.9元降至3.2元。

5. 結語

雙面坡口銑刀實現了“一次走刀完成蓋板雙面坡口加工”的設計意圖，消除了因翻邊而產生的安全隱患，提高蓋板類配件的加工效率，降低制造成本。目前，該結構銑刀已獲得國家實用新型發明專利授權。

表1 刀具結構對比

表2 刀具切削參數對比

表3 刀具使用成本對比