淺談一種創(chuàng)新坡口加工工藝的可行性及實際運用

吳 澤 何樂民 龍 浩

(中車株洲電力機車有限公司 湖南 株洲 412001)

1 概述

立板組成周邊加工余量大、走刀路線長、加工刀具成本高。傳統(tǒng)的加工方法是先使用玉米銑刀加工周邊余量，再使用坡口銑刀加工坡口。這種工藝方法不僅生產(chǎn)效率低，而且對于刀片的消耗也很大。通過理論分析和現(xiàn)場實際對比，得出先銑坡口再銑周邊的創(chuàng)新坡口加工工藝方法。

圖1 立板組成加工圖

創(chuàng)新工藝增加了坡口銑削的吃刀量，切削力也隨之增大。通過對吃刀量是否符合機械加工工藝要求、切削功率是否在機床功率的使用范圍、坡口加工吃刀量增大后坡口銑刀刀片使用壽命是否有縮短3個方面論證了創(chuàng)新坡口加工工藝的可行性，以及在實際運用中通過對之前兩種加工方法在加工成本、加工效率等方面的數(shù)據(jù)對比，進一步論證該創(chuàng)新坡口加工工藝的優(yōu)越性。

2 創(chuàng)新工藝的背景

考慮到焊接變形，為保證產(chǎn)品尺寸，零件下料時留有一定的加工余量。焊接工序之后焊接變形產(chǎn)生立彎，導致各處的加工余量不一致，最大余量為10 mm。銑周邊單次走刀的最大切削深度為5 mm，所以該段需走刀2次。而銑周邊的進給速度只有250～300 mm/min，本身的工效就低，2次走刀大大降低了整體加工速度。

按照生產(chǎn)計劃需求，班組每天需要加工12件立板組成。但目前機加工序僅有2臺數(shù)控銑床可用于加工，若按照傳統(tǒng)的加工方法，1臺銑床每班次只能加工3件立板組成，無法保證其他并行生產(chǎn)車型的生產(chǎn)進度。

3 創(chuàng)新工藝的確定

按照機械加工粗加工原則:首先選擇大的背吃刀量和進給量，再選擇合理的切削速度。對于粗加工，在符合機械加工工藝要求的前提下，如果所有產(chǎn)品只加工一刀，那么效率將大大提升，立板組成最大的背吃刀量就是周邊坡口，若能實現(xiàn)一次走刀完成加工，將大大節(jié)省立板組成的加工時間。對立板組成而言，要盡可能地實現(xiàn)一次走刀完成加工，就是用坡口銑刀一次性加工完所有加工余量。

創(chuàng)新工藝的確定：將傳統(tǒng)的先銑周邊再銑坡口留鈍邊的工藝，改為先銑坡口再銑坡口鈍邊的方法。減去了加工效率低，加工刀具成本高的銑邊工序。

4 創(chuàng)新工藝的實施

圖2 先銑周邊再銑坡口圖3 先銑坡口再銑鈍邊

5 創(chuàng)新工藝的可行性論證

5.1 切削用量理論依據(jù)

選擇合理的切削用量是切削加工中十分重要的環(huán)節(jié)。所謂合理的切削用量，是指在保證加工質(zhì)量的前提下，充分利用刀具切削性能和機床性能，獲得高生產(chǎn)率和低加工成本的切削用量[1]。

切削用量與加工生產(chǎn)率的關(guān)系：設(shè)生產(chǎn)率為Q，Q=AOνcapf

式中：AO為常數(shù)；νc為切削速度，m/s；ap為背吃刀量，mm；f為進給量，mm/r。

由公式可知，切削用量三要素同生產(chǎn)率均保持線性關(guān)系，即提高切削速度、增大進給量和背吃刀量，都能提高生產(chǎn)率[1]。創(chuàng)新坡口加工工藝增加了背吃刀量，提升了生產(chǎn)效率。

切削用量與刀具壽命的關(guān)系：切削用量三要素對刀具壽命的影響程度不同，由大到小的影響次序是：切削速度、進給量、背吃刀量[1]?！皠?chuàng)新坡口加工工藝”增加了背吃刀量，理論上對刀具壽命是有一定影響的，但只要保證切削用量符合工藝要求，刀具刀片在加工中是正常磨損，符合刀具刀片使用規(guī)定，在實際運用中是可取的。

選擇合理的切削用量是要選擇切削用量三要素的最佳組合，在保持刀具壽命合理的前提下，使背吃刀量、進給量、切削速度三者的乘積最大，以獲得更高的生產(chǎn)率，因此，選擇切削用量的基本原則如下：首先，選取盡可能大的背吃刀量，其次，根據(jù)機床的動力和剛性限制條件或已加工表面粗糙度的要求，選取盡可能大的進給量，最后，利用切削用量手冊選取或者用公式計算確定切削速度。在機床功率和刀具強度允許的情況下，一次進給應(yīng)盡可能切除全部余量[1]。

由圖4可以看出，“創(chuàng)新坡口加工工藝”增加了背吃刀量，提高了生產(chǎn)效率，這種工藝方法理論上是可行的。

(a)先銑邊再銑坡口 (b)先銑坡口再銑邊圖4 單次走刀切削量示意圖

5.2 切削力的理論論證

5.2.1切削力

切削力直接影響工件質(zhì)量、刀具壽命和機床動力消耗。切削力主要來自2個方面：切削層金屬、切削和工件表面金屬層的彈性變形產(chǎn)生的變形抗力；刀具前刀面與切屑、刀具后刀面與工件表面之間產(chǎn)生的摩擦抗力[1]。

5.2.2切削功率

切削功率是指消耗在切削過程中的功率，記為Pm，單位W，切削功率的公式為：

Pm=Fcνc×10-3

式中：Fc為主切削力，N；νc為切削速度，m/s。

求得切削功率后，在實際加工中，不僅要考慮機床的使用壽命，增加設(shè)備的利用價值，還要考慮機床的傳動功率，切削功率一般取機床傳動功率的75%～85%[1]。

查閱設(shè)備資料：主軸功率Pm=22 000 W，根據(jù)公式得出：

Fc=Pm/(νc×10-3)

參照傳統(tǒng)工藝與創(chuàng)新工藝切削力的對比分析(見表1)，得出坡口銑刀加工最大切削力為：

Fc=22 000/(800/60×π×125/1 000)=4 198 N

銑坡口的切削力增加了(2 402-1947)/1 947=23.37%，而銑邊的切削力減少了(721-48)/721=93.34%。根據(jù)表1所計算出的各項切削力在機床主軸切削力承受范圍之內(nèi)。

表1 新舊工藝切削力對比分析

5.3 創(chuàng)新工藝實際運用情況

采用創(chuàng)新工藝的實際運用后效果如圖5～6所示，產(chǎn)品加工質(zhì)量符合工藝要求，坡口角度、表面粗糙度和坡口鈍邊尺寸都符合工藝尺寸要求，同時加工后坡口刀具刀體完好，刀片正常磨損，未產(chǎn)生崩裂等現(xiàn)象，而且機床加工運行平穩(wěn)，主軸無異常振動現(xiàn)象發(fā)生。

圖5 已加工產(chǎn)品

圖6 坡口銑刀

6 創(chuàng)新工藝的成效

6.1 人工成本節(jié)約量

原采用碼垛銑邊再銑坡口時，每人每班次能加工8件。廠房搬遷之后，采用電磁平臺裝夾，每次只能裝夾1件，先銑邊再銑坡口，每人每班次只能加工3件。運用“創(chuàng)新坡口加工工藝”后，工效提高到每人每班次加工10件。

6.2 刀具成本節(jié)約量

6.2.1周邊銑刀片

采用碼垛工藝先銑邊再銑坡口時，每銑完一垛(4件)的周邊需要使用28個刃，相當于每件銑邊需要刀片(28/4/4=)1.75片。改為電磁平臺裝夾后，只能單件裝夾，采用先銑邊再銑坡口的工藝方法時，銑單件產(chǎn)品需要使用12個刃，相當于每件銑邊需要刀片(12/4)=3片。運用“創(chuàng)新坡口加工工藝”后，銑邊的刀片消耗降低至0.04片/件。

6.2.2坡口銑刀片

根據(jù)刀具壽命與切削用量的關(guān)系：切削速度、進給量、背吃刀量對刀具壽命的影響由大到小[1]?！皠?chuàng)新坡口加工工藝”增加了切削三要素中對刀具壽命影響最小的背吃刀量，理論上對刀具壽命是有一定影響的，但在實際加工中所消耗的刀片與傳統(tǒng)工藝區(qū)別不大。

根據(jù)生產(chǎn)計劃可知，2017年共生產(chǎn)58列八軸車。節(jié)約總成本=人工成本節(jié)約量+刀片成本節(jié)約量。

創(chuàng)新工藝相較于碼垛工藝銑邊銑坡口節(jié)約的成本Q1為：

Q1=4 371.84+31 500.014=35 871.854 元

創(chuàng)新工藝相較于單件傳統(tǒng)工藝銑邊銑坡口節(jié)約的成本Q2為：

Q2=41 057.28+54 526.568=95 583.848 元

7 結(jié)語

通過理論分析和實踐檢驗，采用“創(chuàng)新坡口加工工藝”無論是在提高生產(chǎn)效率上還是節(jié)約成本上，均優(yōu)于傳統(tǒng)的先銑周邊再銑坡口的工藝和之前的碼垛工藝。目前，創(chuàng)新工藝已固化到立板組成的機械加工工藝卡片中。該工藝方法可以推廣到后續(xù)類似需要銑周邊和坡口的產(chǎn)品中去。