提高鑄鐵缸體CBN刀片壽命

【摘要】本文在銑削原理應(yīng)用的上，通過優(yōu)化銑削加工路徑、加工參數(shù)以及改變切削環(huán)境和增加工修光刃的四種方式，解決了CBN刀片壽命過低問題。

【關(guān)鍵詞】銑削；CBN；壽命；加工參數(shù)

1、引言

隨著我國汽車制造業(yè)的發(fā)展，我們對工件的表面質(zhì)量及加工效率的要求也越來越高，與此同時我們對新技術(shù)、新工藝的要求也越來越迫切，而CBN刀具以其優(yōu)異物理和化學(xué)性能被廣泛應(yīng)用，有效的填補(bǔ)了這項空白。CBN（立方氮化硼）這種硬度僅次于金剛石的第二種超硬材料，具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，可廣泛應(yīng)用于鋼制品的切削加工，完全能夠勝任淬硬鋼、高速鋼、冷硬鑄鐵等難加工材料的切削加工，是目前實現(xiàn)“以切代磨”的最佳刀具之一，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具有發(fā)展前途的刀具材料之一。

股份公司缸體加工車間在精加工缸體頂面和缸孔過程中正在采用CBN材料的刀具，在保證質(zhì)量和效率的前提下，我們希望它的加工成本最低。而實際上缸體頂面采用CBN刀片精加工時，刀具壽命僅為40-50件/刃，單件成本過高，難以接受。

2、加工工藝分析與改進(jìn)

2.1問題描述

缸體頂面精加工為面銑精加工工序，其中缸體材料為HT250，硬度為HRB86-102，表面粗糙度度Ra0.8，整體加工工況并不是很惡劣，但CBN刀片切削刃時常出現(xiàn)異常磨損，加工后CBN刀具的磨損形式如圖1所示，為有效解決此問題，后續(xù)我們將進(jìn)行詳細(xì)的分析與論證。

2.2銑削過程分析與優(yōu)化

銑削即銑刀旋轉(zhuǎn)作主運動，工件或銑刀作進(jìn)給運動的切削加工方法。銑削主要通過旋轉(zhuǎn)的多切削刃刀具，沿著工件在幾乎任何方向上執(zhí)行可編程的進(jìn)給運動，從而完成金屬切削。銑削過程中的刀片異常破損與銑削方向、刀具的直徑和與工件的相對位置有著密切關(guān)系。

2.2.1銑削方向

銑削按方向來分，可分為順銑和逆銑兩種情況，順銑即指工件的進(jìn)給方向與切削區(qū)域的銑刀旋轉(zhuǎn)方向相同。順銑產(chǎn)生切屑相對于一個刀片而言，入口時切屑厚度最大，出口時切屑厚度為零。反之即為逆銑。

從受力角度分析而言，順銑產(chǎn)生產(chǎn)切削力是通過工件向工作臺方向傳遞。而逆銑產(chǎn)生切削力的方向則是使工件遠(yuǎn)離工作臺的方向，這將使工件定位存在不穩(wěn)定的因素。如果加工過程采用逆銑可能導(dǎo)致工件表面光度達(dá)不到目標(biāo)值或刀片出現(xiàn)異常破損的情況，經(jīng)過實際驗證，本道工序采用的正是順銑，銑削方向上不存在問題。

2.2.2刀具與工件相對直徑與位置關(guān)系

從理論上講，銑面的過程中，推薦銑刀的直徑比工件寬度大20%-50%，如果需要幾次走刀完成面的加工，則應(yīng)采取刀具直徑與被加工件表面寬度比值應(yīng)為4/3，并且每次刀具進(jìn)給無需全直徑加工，這樣可有效保證形成良好的切屑和每一個刀片受到相對穩(wěn)定的切削力。

另外，銑刀定位（主軸中心）應(yīng)與工件表面寬度的中心存在一個小幅的偏離，并使其緊靠中心非常有力，因為此時每個刀片形成的切口非常小，并且刀片的進(jìn)入和退出有利于切屑形成和防止沖擊載荷。但是如果二者中心重合，就會出現(xiàn)很不利的情況。當(dāng)切削刃進(jìn)入和退出切口時，大小平均的徑向力在在方向上不斷變化，使機(jī)床主軸引起振動或損壞，并且刀片也可能出現(xiàn)破碎或加工表面質(zhì)量差等問題。缸體頂面最大寬度為186mm，最小寬度為130mm，考慮加工成本，選用Φ160mm刀盤，采用順銑，走刀路徑如圖2所示，原有加工路徑偏移工件中心，受力不均勻，調(diào)整8mm后，加工工況有所改善。

2.3加工參數(shù)分析與優(yōu)化

在解決刀具壽命異常時通常有改變刀具結(jié)構(gòu)和形式、優(yōu)化刀具材質(zhì)和槽型以及優(yōu)化加工參數(shù)等三方面內(nèi)容，其中優(yōu)化加工參數(shù)無須投入，應(yīng)用也最多。

2.3.1優(yōu)化加工參數(shù)

加工參數(shù)由三個部分組成：切深ap、進(jìn)給速度fn及切削速度vc。這三項指標(biāo)，每一項都會對刀具的加工壽命存在影響，但影響的程度各不相同。其中切深對刀具壽命影響最小，切削速度對刀具壽命影響最大。我們通常通過ap減少走刀次數(shù)；通過fn實現(xiàn)更短的切削時間；通過vc實現(xiàn)最佳的刀具壽命；所以我們對現(xiàn)場加工參數(shù)進(jìn)行了如下優(yōu)化：切削深度為固定的工藝余量0.5mm，不做優(yōu)化；進(jìn)給速度由2030mm/min優(yōu)化至3000mm/min；切削速度由原來的850m/min優(yōu)化至753.5m/min（推薦切削速度為800-1000m/min）。

優(yōu)化后刀具的加工壽命提升到70-80件/刃，但仍沒有達(dá)到我們預(yù)期，后續(xù)我們將進(jìn)行其它方面的優(yōu)化。

2.3.2改變切削環(huán)境

切削環(huán)境對刀具的壽命也有至關(guān)重要的影響，一般來說，破損刀片后刀面磨損較嚴(yán)重，前刀面有稍許磨損，本次發(fā)現(xiàn)刀片并不是真正的磨損而是崩刃，所以懷疑是否是切削環(huán)境導(dǎo)致刀具異常破損呢？經(jīng)過細(xì)致的分析發(fā)現(xiàn)，刀片加工過程中，由于刀盤直徑較大，切削過程中有部分刀片在“宏觀上”看冷卻液噴淋的并不是很充分，而在“微觀上”刀片的尖角與工件接觸時，冷卻液就更不能噴到實際想要的位置上，外冷式加工與鉆頭等內(nèi)冷式加工相比，冷卻效果前者要遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于后者。所以刀片加工過程中與工件接觸時產(chǎn)生極高熱量，而在刀片脫離工件時，由于冷卻液的作用刀片又急速冷卻，極有可能導(dǎo)致刀片異常崩刃。而經(jīng)過實際驗證，冷卻液關(guān)閉后，采用干式加工，刀片壽命達(dá)到了140-150件/刃，再也沒有發(fā)生崩刃的現(xiàn)象。

2.3.3增加修光刃

增加修光刃是面銑精加工中提高被加工表面光度的一種常見手段。通過修光刃刀片使用的刃長應(yīng)在總?cè)虚L的2/3以內(nèi)，高度應(yīng)比其它正常刀片高0.05-0.1mm之間。刀片壽命在優(yōu)化加工參數(shù)和采用干式加工后得到了大大的提高，經(jīng)過一段時間的現(xiàn)場使用，頂面粗糙度有一定幅度的超差，Ra實測值在0.8-1.4之間。為了能進(jìn)一步提高表面光度，決定采用修光刀片對工件表面光度進(jìn)行提高，經(jīng)過研究選用了修光刃長度為5.92mm的刀片，每刃進(jìn)給設(shè)定在1-2mm（每轉(zhuǎn)進(jìn)給）中進(jìn)行實驗，如果每刃進(jìn)給過低將導(dǎo)致刀片重復(fù)磨損，所以經(jīng)過實驗我們選用每刃進(jìn)給2mm的加工參數(shù)，使用切削刃長度是總長度的33%在規(guī)定的2/3以內(nèi)。最終刀片壽命達(dá)到了170-180件/刃。

3、工藝效果對比

本文通過優(yōu)化加工參數(shù)、改變切削環(huán)境及增加修光刃三種途徑，在沒有增加成本的前提下從根本上解決了刀具壽命異常的問題，刀片壽命從40-50件/刃提高至170-180件/刃，大幅度降低了此刀具消耗。

4、結(jié)論

解決刀具壽命異常時，修正加工參數(shù)雖然能在較多的時候效果顯著，但解決問題的途徑絕對不僅僅現(xiàn)這一種方式，分析問題要從人、機(jī)、料、法、環(huán)和測六個方面入手，避免知識分子那種鉆牛角尖式的思維，將我們后續(xù)的工作帶來無窮的益處。