端面槽車削刀具的設(shè)計(jì)制造與應(yīng)用

黃科峰，周春然

（江蘇省常州技師學(xué)院，江蘇 常州 213000）

1 前言

世界技能大賽被譽(yù)為“技能奧林匹克”，是世界技能組織成員展示和交流職業(yè)技能的重要平臺(tái)。在眾多世賽項(xiàng)目中制造團(tuán)隊(duì)挑戰(zhàn)賽是唯一一個(gè)三人團(tuán)隊(duì)賽，并由產(chǎn)品設(shè)計(jì)、數(shù)控銑、普銑、普車、焊接、電子裝配以及成本（加工時(shí)間成本、工具運(yùn)輸成本）等多個(gè)模塊組成的競(jìng)賽項(xiàng)目。如圖1 所示，為第46 屆世界技能大賽“制造團(tuán)隊(duì)挑戰(zhàn)賽項(xiàng)目”國(guó)家隊(duì)淘汰賽的車工賽題（節(jié)選）。其中端面槽涉及裝配且具有尺寸要求（尺寸要求：工件長(zhǎng)度150±0.02 mm；端面槽尺寸要求：徑向?qū)挾?×4 ＋0.02 mm，軸向深度2×4.5-0.02 mm）；根據(jù)技術(shù)文件要求，該零件使用CA6136 型普通車床加工。

圖1 賽題二維圖紙

2 設(shè)計(jì)背景

在機(jī)夾刀具市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品主要定位在企業(yè)單一產(chǎn)品生產(chǎn)上，通用性、工藝范圍較窄。在一些產(chǎn)品中有多個(gè)端面溝槽則需要多把不同規(guī)格的刀具完成，加工成本高、效率低下。競(jìng)賽方面在世界技能大賽第45 屆、第46 屆全國(guó)選拔賽中、國(guó)家隊(duì)集訓(xùn)選拔中均出現(xiàn)一些特形端面溝槽，其形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高、加工難度大且市場(chǎng)無(wú)對(duì)應(yīng)車削刀具的情況。尤其在第46 屆全國(guó)選拔賽中，針對(duì)樣題中端面槽的車削僅有個(gè)別企業(yè)可以提供解決方案，產(chǎn)品昂貴且工藝范圍極窄的專用刀具，端面槽尺寸一旦改變，將無(wú)法滿足使用。在競(jìng)賽要求日益提高的今天，對(duì)切削刀具性能的提升十分迫切。

3 端面槽車削中面臨的問(wèn)題

如圖1 所示，為第46 屆世界技能大賽“制造團(tuán)隊(duì)挑戰(zhàn)賽項(xiàng)目”國(guó)家隊(duì)淘汰賽的車工賽題（節(jié)選），材料為2A12-T4；其中端面槽涉及裝配且有尺寸要求。該端面槽大徑φ46 mm，外圓φ48 mm，單邊僅有1 mm；在切削力的作用下易產(chǎn)生變形與振動(dòng)，使工件的幾何精度和表面質(zhì)量降低。工件易吸收切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱，使工件產(chǎn)生較大的軸向膨脹后加劇變形的同時(shí)又增加振動(dòng)，甚至可能產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象，造成無(wú)法加工。若沒(méi)有恰當(dāng)?shù)牡毒?，尺寸超差的風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)提高。

在對(duì)端面槽車削刀具的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足以下幾個(gè)基本要求，以保證加工工件所要求的形狀、尺寸、精度和表面質(zhì)量。①加工生產(chǎn)率高。②具有足夠的強(qiáng)度、剛度和韌性。③切削性能優(yōu)良，耐用度高。④結(jié)構(gòu)合理，工藝性好，便于制造，制造成本低。⑤針對(duì)上述情況刀具設(shè)計(jì)基本要求。

經(jīng)過(guò)對(duì)上述問(wèn)題以及實(shí)際情況的分析，該端面槽應(yīng)當(dāng)在滿足以下條件的基礎(chǔ)上盡可能方便參賽選手的使用和降低刀具的重量，以便創(chuàng)造一定優(yōu)勢(shì)。①該零件端面槽切削過(guò)程中軸向下刀空間小，刀頭尺寸應(yīng)滿足小于25 mm；②徑向首次切削直徑應(yīng)滿足φ38~46 mm 范圍；③切削深度應(yīng)大于4.5 mm，且具有一定排屑空間；④刀具鋒利，切削性能良好；⑤刀片更換簡(jiǎn)單方便，品牌融合度高；⑥盡可能使用一把端面切槽刀切出左右兩側(cè)端面槽。

4 刀具設(shè)計(jì)

為滿足上述問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了圖2 所示的“T 型”端面槽刀具。其特點(diǎn)為：“T”型刀頭設(shè)計(jì)，刀頭寬度達(dá)到20 mm，有效切深5.5 mm，應(yīng)用過(guò)程中左右兩側(cè)均可進(jìn)行切削，以應(yīng)對(duì)一定環(huán)境下左/右手刀具的頻繁切換安裝問(wèn)題；刀片裝夾部分結(jié)構(gòu)與多個(gè)品牌兼容，刀片可進(jìn)行互換；調(diào)整方便，半分鐘即可完成刀片的更換與對(duì)刀；工藝范圍上首次切削直徑做到了（DAXN-DAXX）Φ20~50 mm 的 較 大 范 圍； 操 作方法與一般常見(jiàn)刀具產(chǎn)品無(wú)異，但是擴(kuò)大了加工范圍和應(yīng)用環(huán)境，切削性能良好，提高了生產(chǎn)效率，間接降低了應(yīng)用成本。

圖2 T 型端面槽刀具

5 材料的選用

車削刀具的刀桿材料一般為鋼制，但是為了降低刀桿重量，所以對(duì)7xxx、2xxx、6xxx 系鋁合金進(jìn)行了分析，7xxx 系列代表7075 合金是一種可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)鋁合金，具有高的比強(qiáng)度和優(yōu)越的加工性能，作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料廣泛地應(yīng)用于航空航天、車船軍工、民用生活等領(lǐng)域；2xxx 系列代表2014 的特點(diǎn)是硬度較高，其中以銅原屬含量最高，在3%~5%，2xxx 系列鋁板屬于航空鋁材，目前在常規(guī)工業(yè)中不常應(yīng)用；6xxx 系列代表6061 中等強(qiáng)度，集中了4xxx 系列和5xxx 系列的優(yōu)點(diǎn)，6061 是一種冷處理鋁鍛造產(chǎn)品，適用于對(duì)抗腐蝕性、氧化性要求高的應(yīng)用，可使用性好，接口特點(diǎn)優(yōu)良，容易涂層，加工性好。典型用途：66xxx 系列鋁合金作為綜合性能良好的鋁合金，因其較小的密度、良好的耐蝕性和成形性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車和建筑行業(yè)。

經(jīng)過(guò)比較，本次刀桿輕量化的選材使用6061-T6材料進(jìn)行試驗(yàn)，如表1，選用尺寸（長(zhǎng)×寬×高）110 mm×20 mm×20 mm；雖然應(yīng)用于車削刀桿制造方面的研究卻較少，但是目前已有少量產(chǎn)品使用鋁材料作為刀桿，例如比較成熟的高強(qiáng)鋁制面銑刀刀盤，在銑削效果上絲毫沒(méi)有削弱且大幅降低了主軸載荷。高強(qiáng)鋁制鏜孔刀座，在不降低切削效果的基礎(chǔ)上重量大幅度降低。被加工材料2A12-T4，刀具切削部分（刀片）為硬質(zhì)合金，采用端面切槽加工形式，如表2 所示。

表1 刀桿材料

表2 刀具與被加工材料

6 端面槽刀桿的靜態(tài)分析

6.1 刀桿的受力分析與載荷計(jì)算

作用在該端面切槽刀的切削力包括主切削力Fc（主切削力Fz）、背向力Fp（徑向力Fy）、進(jìn)給力Ff（軸向力Fx），如圖3 所示；主切削力垂直于工作平面，與切削速度方向一致，它是諸多分離中最大的一個(gè)，消耗的動(dòng)力最多，會(huì)使刀桿產(chǎn)生彎曲。背向進(jìn)給方向平行，當(dāng)夾具、刀具等剛性不足時(shí)，易產(chǎn)生變形和震動(dòng)，影響精度和工件表面質(zhì)量。進(jìn)給力與縱向進(jìn)給方向平行，當(dāng)?shù)毒邉傂圆蛔銜r(shí)，有使車刀刀桿向切削速度方向彎曲的可能。

圖3 車削中切削力與切削分力

6.2 施加約束和載荷進(jìn)行分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證鋁制刀桿的可行性，分別以粗加工f=0.5 mm/r，ap=3.0 mm、精加工f=0.1 mm/r，ap=0.2 mm 時(shí)所計(jì)算出的兩組數(shù)據(jù)對(duì)鋁制刀桿和鋼制刀桿進(jìn)行施加載荷（表3）。

表3 載荷計(jì)算

進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析后查看X、Y、Z 方向的最大位移量，并作比較。由于Y 方向上承受的是最大主切削力，所以3 個(gè)方向相比較，Y 方向的位移量最大（0.038 638 8 mm）；同等的力施加在45#鋼制刀桿上時(shí)依舊是Y 方向的位移量最大（0.022 638 2 mm）。在精加工靜態(tài)分析中，將鋁制刀桿與鋼制刀桿各方向的位移量數(shù)據(jù)相比較，位移量及差值都很?。ū砀?、表格5），完全能夠滿足使用需求。

表4 當(dāng)?shù)稐U材料為6061-T6 材料時(shí)的位移數(shù)據(jù)

表5 當(dāng)?shù)稐U材料為45#鋼時(shí)的位移數(shù)據(jù)

7 加工工藝過(guò)程及效果

尺寸要求：工件長(zhǎng)度150±0.02 mm，端面槽尺寸要求：徑向?qū)挾?×4 ＋0.02 mm，軸向深度2×4.5-0.02 mm；在滿足競(jìng)賽規(guī)則的基礎(chǔ)上，為了最大程度降低加工時(shí)長(zhǎng)以及達(dá)到零件裝配要求（裝配尺寸鏈為閉環(huán)），在對(duì)競(jìng)賽設(shè)備（CA6136 普通車床）綜合分析后，選擇兩次裝夾完成工件。第一次裝夾，第一步：夾持毛坯且懸伸長(zhǎng)度大于工件長(zhǎng)度，粗加工外形保留0.5 mm 精加工余量，端面保留0.05 mm 精加工余量；第二步：鉆孔；第三步：精加工外形至尺寸要求；第四步：端面槽加工，為了保證尺寸精度分為粗加工和精加工；第五步：切斷；第二次裝夾：粗精加工右端內(nèi)輪廓至尺寸要求。

在端面槽切削加工過(guò)程中，車床轉(zhuǎn)速800~1 600 r/min 之間，手動(dòng)進(jìn)給狀態(tài)下排屑順暢，表面質(zhì)量可達(dá)到Ra0.8μm，有良好的切削表現(xiàn)；減少了換裝刀具的裝夾次數(shù)，使用方便快捷；完全滿足使用需求。

為了降低刀具重量，最終采用了6061-T6 鋁合金材料應(yīng)用于刀桿制造，經(jīng)過(guò)表面硬化處理后的應(yīng)用表現(xiàn)，在切削要素一致的情況下與普通鋼制刀桿基本無(wú)異。

8 結(jié)語(yǔ)

采用該端面槽切削刀具后，滿足了競(jìng)賽試題的切削需求，減少了所帶刀具數(shù)量以及頻繁換刀次數(shù)；對(duì)優(yōu)化加工工藝起到了積極作用，提高了加工效率，這在競(jìng)賽過(guò)程中無(wú)疑是非常重要的。雖然目前僅有少量產(chǎn)品使用高強(qiáng)鋁作為刀桿材料，但是高強(qiáng)鋁制面銑刀刀盤，在銑削效果上絲毫沒(méi)有削弱且大幅降低了主軸載荷。另外用該型號(hào)鋁合金制作的鏜孔刀座，在不降低切削效果的基礎(chǔ)上重量大幅度降低；這也在降低刀具系統(tǒng)重量的思路上得到了新的啟發(fā)。