一種新型刀具在鋼板雙面坡口加工中的應(yīng)用

南車株洲電力機(jī)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(jī)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(zhì)量。

蓋板雙面坡口的加工由于其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特殊性，存在作業(yè)過程不安全以及加工效率低等問題，一直是制約車間產(chǎn)能發(fā)展的瓶頸。

圖1 蓋板結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 蓋板翻邊圖

1. 現(xiàn)有加工工藝及問題分析

蓋板結(jié)構(gòu)如圖1所示。蓋板材質(zhì)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(shù)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(gè)問題：

（1）存在安全隱患。由于蓋板尺寸較大（4 091mm×1 394mm）、單質(zhì)量較大（500kg），使用鋼絲繩配合天車進(jìn)行翻面作業(yè)時(shí)，在翻面的臨界狀態(tài)下，板料突然下墜產(chǎn)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(fù)上料、定位裝夾，導(dǎo)致生產(chǎn)輔助時(shí)間過長，加工效率較低。

因此，可設(shè)計(jì)一種新結(jié)構(gòu)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(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高加工效率。

2. 刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)

坡口銑刀是金屬切削行業(yè)加工板料坡口所常用的一種刀具。在刀具設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)所加工板料坡口的角度θ，通過調(diào)整刀具主偏角kr，實(shí)現(xiàn)板料坡口的加工。

結(jié)合現(xiàn)有單面坡口銑刀的結(jié)構(gòu)（見圖3），創(chuàng)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(jié)構(gòu)方案（見圖4）。從結(jié)構(gòu)上看，就是將兩把單面坡口銑刀在頂端聯(lián)接起來。加工時(shí)，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(shí)現(xiàn)單次走刀完成板料雙面坡口加工的設(shè)想。

圖3 單面坡口銑刀結(jié)構(gòu)及加工示意圖

圖4 雙面坡口銑刀結(jié)構(gòu)及加工示意圖

圖5 A型銑刀結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 A型銑刀實(shí)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(yīng)用

（1）刀具結(jié)構(gòu)。明確刀具設(shè)計(jì)思路及方案后，我們與刀具制作商聯(lián)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(jié)構(gòu)如圖5、圖6所示。從刀體結(jié)構(gòu)上來看，A型銑刀為立裝結(jié)構(gòu)（刀片切向排列），上下兩排共32個(gè)刀片槽錯(cuò)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(hào)分別為LZYB098X及LZYB098XL；配套刀柄型號(hào)BT50-XM40-75，該刀具實(shí)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(yàn)。如圖7、圖8所示，蓋板類配件加工雙面坡口時(shí)，配件下面采用專用墊板墊高20～30mm，同時(shí)將配件加工邊伸出墊板30～40mm，以避免墊板、機(jī)床工作臺(tái)與刀具發(fā)生碰撞。

根據(jù)刀具廠商提供的理論切削參數(shù)，結(jié)合機(jī)床狀況及配件裝夾狀態(tài)，經(jīng)過反復(fù)切削試驗(yàn)，最終將該刀具的基準(zhǔn)切削參數(shù)確定為：轉(zhuǎn)速n=350r/min，進(jìn)給速度vf=700mm/min。同時(shí)，獲得了刀片單個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，但隨著此類型配件的大批量投產(chǎn)，該刀具暴露出的一些問題影響了加工效率的進(jìn)一步提升。總結(jié)起來有以下幾點(diǎn)：

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

加工振動(dòng)較大。由于刀具直徑為170mm，加工時(shí)主軸軸線離切削部位較遠(yuǎn)（85mm），懸伸較長，易造成主軸在加工中因剛性不足出現(xiàn)振動(dòng)，影響坡口表面質(zhì)量；同時(shí)，劇烈的加工振動(dòng)降低了刀具的使用壽命，對(duì)機(jī)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(gè)刀片，在切削狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，相同位置切削刃的磨損程度基本一致。當(dāng)切削刃出現(xiàn)較深磨損時(shí)，大量換刀片耗時(shí)較長。

因此，我們決定從減少刀具自重及消除加工振動(dòng)兩個(gè)方面入手對(duì)刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。具體如下：①將刀具直徑由170mm減小至100mm以內(nèi)，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(jìn)而減少加工振動(dòng)。③將刀體結(jié)構(gòu)由立裝改為平裝，提升刀具容屑空間，減少刀槽數(shù)量，以適應(yīng)蓋板類配件輕快切削的加工狀況，同時(shí)減少更換刀片數(shù)量。

圖9 B型銑刀結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 B型銑刀實(shí)物

4. 第二代雙面坡口銑刀應(yīng)用

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

從刀體結(jié)構(gòu)上來看，B型銑刀（見圖9、圖10）采取刀片平裝結(jié)構(gòu)，上下兩排共8個(gè)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(hào)為SPMT 120408-WH；配套刀柄型號(hào)BT50-XM32-75，該刀具實(shí)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(yàn)，獲取了合適的切削參數(shù)及刀片使用壽命。同時(shí)，對(duì)前后兩個(gè)方案的刀具分別從結(jié)構(gòu)、切削參數(shù)、經(jīng)濟(jì)性上進(jìn)行了全面的對(duì)比。

由表1可知，優(yōu)化后刀具安裝重量由之前的11.5kg減至7.5kg，減重近35%；同時(shí)，刀片安裝數(shù)量由32片減至8片，大大降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

由表2可知，優(yōu)化后刀具轉(zhuǎn)速由350r/min提升至800r/min，進(jìn)給速度由750mm/min提升至1 000mm/min，加工效率提升了33%左右。同時(shí)，優(yōu)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(dòng)，既保證了坡口面的加工質(zhì)量，又避免了機(jī)床精度及使用壽命的降低。

由表3可知，優(yōu)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(jié)語

雙面坡口銑刀實(shí)現(xiàn)了“一次走刀完成蓋板雙面坡口加工”的設(shè)計(jì)意圖，消除了因翻邊而產(chǎn)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(jié)構(gòu)銑刀已獲得國家實(shí)用新型發(fā)明專利授權(quán)。

表1 刀具結(jié)構(gòu)對(duì)比

表2 刀具切削參數(shù)對(duì)比

表3 刀具使用成本對(duì)比