自制套料鉆解決端面環形深窄槽加工難題

解亞波，韓利萍，申 浩，何李鑫，張艷文，何德勝

(山西航天清華裝備有限責任公司,山西 長治 046012)

0 引言

端面具有環形深窄槽型結構的零件廣泛應用于航空航天和車輛機械等領域。此類零件在加工過程中，采用傳統車削或銑削工藝時，當加工深度受到刀具有效切削長度限制時，由于加工區域太窄、切削阻力大、排屑不暢、散熱效果差、刀具剛性弱易損壞等因素導致加工難度較大，加工質量難以保證，生產效率低，嚴重制約生產進度，因此對此類零件進行工藝創新性研究具有極大的意義和應用價值。本文在使用自制套料鉆替代傳統車削和銑削加工方法的基礎上，綜合考慮刀具在切削加工過程中的影響，針對性地采取有效措施，確保了產品質量穩定、生產效率提升和刀具成本降低。

1 零件工藝分析

1.1 零件結構

某零件(如圖1所示)為奧氏體不銹鋼1Gr18Ni9Ti材質，毛坯為Φ72 mm×100 mm圓鋼。在零件端面Φ43.5 mm位置有一處端面深槽，槽寬11 mm，槽深50 mm，槽深與槽寬之比將近5∶1，屬于典型的深窄槽。

圖1 某零件結構示意圖

1.2 加工難點分析

該零件加工難點有：

(1) 1Gr18Ni9Ti為奧氏體不銹鋼，由于其韌性和抗拉強度都較高，因此在切削時塑性變形大，產生的切屑易粘結，不易折斷，導致被加工表面在切削過程中不斷硬化，每一次切削層都會產生加工硬化，經過層層累積，材料在切削過程中的硬度越來越高，切削力也隨之越來越大；同時硬化層的產生和切削力的升高導致刀具與工件之間的摩擦力增大，切削溫度隨之升高；并且由于不銹鋼材料導熱性差，大量的切削熱集中在刀具與工件之間，導致了刀具磨損嚴重，刀具壽命低，加工表面質量差。

(2) 刀具懸伸過長產生切削振動現象。車削加工時采用標準Φ10 mm立銑刀，如圖2所示。標準Φ10 mm立銑刀刀具長度為75 mm，若要滿足切削深度為50 mm的深槽加工需求，夾持部分只能小于25 mm。但在實際加工過程中，刀具夾持部分過短會產生撓曲力造成刀具偏擺，甚至掉刀；同時刀具懸伸越長，切削力和切削振動增大，刀具磨損加劇，表面質量下降。因此，銑削加工時，生產現場目前通用的標準7字型端面切槽車刀MGFVR32030/50T18(如圖3所示)最大切入深度為20 mm，顯然無法滿足使用要求，必須定制加長型刀具。而在使用加長刀具時，受懸伸太長的影響導致刀具剛性降低，在實際切削過程中，為了避免切削力過大產生振動現象，只能采用微量切削，導致加工效率極低。

圖2 Φ10 mm立銑刀 圖3 7字型端面切槽車刀

(3) 傳統加工切削軌跡長，加工效率低。采用銑削加工時，由于槽窄、銑削空間狹小，常常推薦螺旋銑削方式。如圖4所示，螺旋銑削具有靈活的運動特性，可以實現低切削力,并能降低刀具磨損，提高表面質量，在淺孔加工時，切屑容易排出。但在該零件的加工中，當加工深度超過刀具有效切削刃長度時，切屑會在深槽內堆積，并與刀具柄部發生摩擦產生大量的熱，對刀具發生二次傷害，嚴重時會引起災難性折斷。而采用車削加工時，通常選用端面切槽刀加工，為保證窄槽內排屑順暢，常常推薦使用分層微量車削(如圖5所示),但車削效率極低。

圖4 螺旋銑削方式 圖5 分層微量車削方式

2 工藝解決方案

通過對該零件材料的特性(抗拉強度和切削性能)、加工要素(端面窄深環形槽)構成和現有加工方案(定制加長端面槽刀分層車削和立銑刀螺旋線銑削)進行分析研究，提出使用自制套料鉆鉆削加工替代傳統車削和銑削的解決方法。

2.1 套料鉆結構特點

(1) 如圖6所示，套料鉆由刀柄本體、切削刀片和緊固螺釘組成。套料鉆結構與U鉆結構相似，不同之處在于U鉆使用周邊刀片和中心刀片；套料鉆因為不需要過中心切削，只需要兩處周邊刀片即可。從切削角度上看，其加工原理與機夾車刀加工外圓和內孔相似，刀片磨損后無需重磨，直接更換刀片即可。

(2) 套料鉆結構剛性好，加工環形槽時，滿足飽和加工狀態，屬于一次成型加工，加工效率高。

(3) 套料鉆在加工不同材料時，只需要更換同類型不同牌號的刀片即可。

2.2 套料鉆刀片選擇

(1) 選擇切削刀片時，先確定合適的刀片尺寸，已知環形槽寬度為11 mm，刀片在刀桿上安裝應預留一定的定位面厚度，以2 mm計，11 mm-2 mm=9 mm，所以刀片的切削面投影寬度應小于9 mm,即刀片的切削刃長度應小于9 mm。

(2) 在滿足切削性能的前提下，合理選擇刀片的形狀，盡量選擇通用性較高的同一刀片上切削刃數較多的刀片。

(3) 根據工件的切削性能選擇合適的刀片材質。

根據以上要求，經過研究、分析和對比，最終選擇使用牌號為山特維克880-0402W04H-P-GM4334刀片。

2.3 確定刀片安裝角度和位置

使用CAD設計刀桿模型并確定刀片在刀桿上的安裝角度和安裝位置，如圖6所示，套料鉆刀片是標準矩形刀片，刀尖角度為90°。在設計刀片的安裝角度時，應將外側刀片旋轉-1.5°，內側刀片旋轉+1.5°。這種設計的目的有以下幾點：

圖6 套料鉆結構示意圖

(1) 將切削平面上的主偏角小于90°，這樣使得主切削刃上的單位長度負荷減輕，軸向切削力減小，從而在鉆削時可以選擇更大的進給速度，提高生產效率。

(2) 可以控制切屑的流向，使切屑向刀具方向流出，避免切屑與工件發生擠壓。

(3) 可以起到引導減震作用，當主偏角小于90°時，刀片內側刀尖高于主切削刃，此時刀片切削的過程是一個由點到線的漸進過程，一方面起到一個定心引導作用，另一方面，此時刀具的切削力也是一個線性提高的過程，避免了切削力驟然升高引起刀具震顫的現象。

確認刀片安裝角度后，再根據環形槽的大小分別確定內側刀片和外側刀片的安裝位置，以此來保證環形槽的尺寸。

2.4 套料鉆制作工序安排

套料鉆制作工序見表1。

表1 套料鉆制作工序

2.5 改進前后加工效率對比

工藝改進前后加工效率對比如表2所示。針對案例中選擇的零件加工刀具試驗數據，通過對表2中數據分析可知，使用端面槽刀車削的加工時間為23 min，使用立銑刀螺旋銑削的加工時間是15.6 min，使用套料鉆鉆削的加工時間是1.66 min，后者的加工效率是端面槽刀車削加工的13倍，是立銑刀螺旋銑削加工的9倍，所以使用套料鉆鉆削可以大大提高產品的加工效率。

表2 工藝改進前后加工效率對比

3 結語

通過采用自制套料鉆鉆削的加工方式替代傳統車削和銑削，解決了傳統加工方法在加工深窄端面環形槽時加工效率低、刀具壽命低的問題。采用新的加工方法后，加工效率提升，刀具成本降低，使生產效率成倍提升，生產成本大幅降低。