單片精銑硬質(zhì)合金刀片的磨削工藝研究

儲(chǔ)永代，李敏，馮文，劉天

株洲鉆石切削刀具股份有限公司；硬質(zhì)合金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

1 引言

硬質(zhì)合金因具有高強(qiáng)度、高硬度以及良好的耐磨性和耐熱性等優(yōu)異性能，已經(jīng)成為切削工具中較為重要的材料[1，2]，因此硬質(zhì)合金數(shù)控刀片在航空航天、汽車和模具等行業(yè)應(yīng)用廣泛[3，4]。

隨著工藝技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，高速加工和高精度加工成為機(jī)械加工行業(yè)中重要的技術(shù)目標(biāo)，這對(duì)數(shù)控刀片提出了高精度的尺寸要求。某種單片精銑刀片可進(jìn)行高速加工并獲得高精度的加工表面，甚至可以加工出鏡面效果，目前普遍用于模具和汽車等行業(yè)，是一種中心孔和定位面均需磨削的全磨產(chǎn)品。特別是中心孔，在作為裝夾孔的同時(shí)與刀片尾部定位面共同參與定位，中心孔尺寸精度及位置精度要求高導(dǎo)致其加工難度大，生產(chǎn)效率低，同時(shí)廢品率高，生產(chǎn)成本較高。

國內(nèi)外關(guān)于硬質(zhì)合金數(shù)控刀片磨削工藝的研究主要集中在磨削砂輪的選擇[5]、磨削工藝參數(shù)[6-8]及圓弧控制夾具[9]等方面，缺乏關(guān)于這種高精度數(shù)控刀片磨削工藝方法的系統(tǒng)報(bào)道，為解決上述高精度數(shù)控刀片的生產(chǎn)難點(diǎn)，本文優(yōu)化了磨削工藝步驟，針對(duì)內(nèi)孔磨削的關(guān)鍵工序設(shè)計(jì)了一種磨削自定心夾具，并進(jìn)行了產(chǎn)品磨削實(shí)驗(yàn)，對(duì)抽樣檢測的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行基于過程能力控制理論的Cpk值計(jì)算分析，為解決單片精銑硬質(zhì)合金刀片的磨削工藝難點(diǎn)提供了思路，為實(shí)現(xiàn)高精度產(chǎn)品磨削批量生產(chǎn)提供了重要判斷依據(jù)。

2 產(chǎn)品需求分析

單片精銑刀片是一種典型的高精度硬質(zhì)合金數(shù)控刀片，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有中心孔，用螺釘銷驅(qū)動(dòng)刀片形成定位面的貼合，尺寸及形位精確要求高，其結(jié)構(gòu)如圖1所示?？芍?，中心孔d和定位面A、B的尺寸精度和位置精度要求很高。中心孔d的控制公差為±0.005mm，中心孔d與定位面A、B的位置度公差為φ0.01mm，中心孔d與端面的垂直度小于0.005mm；定位面A、B的夾角公差為±5′，定位面A、B與端面的垂直度小于0.005mm。該系列部分產(chǎn)品中心孔d在φ5mm及以下，磨削砂輪尺寸受到限制。綜上，該產(chǎn)品作為超精加工系列，對(duì)尺寸及形位公差要求均很高，是典型的難磨削加工產(chǎn)品。

圖1 典型的單片精銑刀片尺寸

3 磨削工藝分析

3.1 磨削工藝路線的確定

從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)要求分析，刀片中心孔的孔徑精度和位置度控制是該類產(chǎn)品磨削控制的難點(diǎn)。為解決上述工藝難點(diǎn)，磨削生產(chǎn)主要采用以下兩種工藝路線，即中心孔基準(zhǔn)磨削和定位面基準(zhǔn)磨削。

中心孔基準(zhǔn)磨削：磨雙端面—磨中心孔—磨周邊V形定位面—開刃。

定位面基準(zhǔn)磨削：磨雙端面—磨周邊V形定位面—磨中心孔—開刃。

兩種磨削方案分別采用通用的雙端面磨床與數(shù)控五軸加工中心加工產(chǎn)品雙端面及切削刃部，均可較好地保證產(chǎn)品精度且工藝十分成熟，不同之處主要在于中心孔與周邊V形面的加工順序及具體的工藝方案，主要工藝難點(diǎn)均為加工小尺寸中心孔的方法并保證中心孔精度及與周邊V形面的位置精度。為追求高效和低成本的目標(biāo)，磨削工藝方案應(yīng)具備操作簡單、高效和經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，下文通過對(duì)比兩種方案所采用工藝方法的優(yōu)缺點(diǎn)，尋求更適合的工藝路線并確定方案。

中心孔基準(zhǔn)磨削方案為先加工中心孔再以中心孔為基準(zhǔn)磨削周邊V形面。因先加工中心孔時(shí)無須精確保證其與定位面的位置度要求，所以中心孔的精度易保證，且有專門針對(duì)此類高精度中心孔加工的專業(yè)設(shè)備，但在后續(xù)以中心孔為基準(zhǔn)加工周邊V形面時(shí)，兩者的位置精度較難保證，需要復(fù)雜的夾具和工藝方法才能實(shí)現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致加工成本高、生產(chǎn)效率低及合格率低等問題。

V形定位面基準(zhǔn)磨削方案則為先加工周邊V形定位面，再以周邊V形面為基準(zhǔn)磨削加工中心孔。同理，不精確保證中心孔與V形定位面的位置度，僅加工周邊V形定位面非常簡單，此方案的關(guān)鍵在于利用周邊V形定位面的精基準(zhǔn)定位刀片并精確保證中心孔相對(duì)定位面的位置度，而設(shè)計(jì)專用中心孔磨削夾具既可提高精度尺寸的控制，又可進(jìn)一步減小定位面到中心內(nèi)孔距離L1和L2的差值(見圖1)，提高中心孔位置度的一致性。

通過上述分析，對(duì)高精度單片精銑刀片的磨削采用定位面基準(zhǔn)磨削方案，即先磨削V形定位面再開發(fā)專用中心孔加工夾具磨削中心孔。

3.2 內(nèi)孔磨削夾具設(shè)計(jì)

基于上述先磨削V形定位面后磨削中心孔的工藝，需要設(shè)計(jì)專用的內(nèi)孔磨削夾具。圖2為內(nèi)孔磨削自定心夾具，通過簡單的機(jī)械原理能夠保證孔中心與周邊V形面的位置精度，并具有自定心功能，操作簡單可靠。

1.連接軸 2.定位座 3.精銑刀片半成品4.雙頭螺釘 5.壓塊 6.頂絲

內(nèi)孔磨削自定心夾具包括連接軸、定位座、壓塊和被磨削刀片，連接軸為柄部與芯軸組成的同軸階梯圓，定位座設(shè)有與刀片定位面配合的V形定位面，定位座與連接軸上的芯軸配合連接，通過頂絲鎖緊。改變連接軸上芯軸規(guī)格，可實(shí)現(xiàn)磨削不同規(guī)格尺寸產(chǎn)品，而且可以通過壓板固定刀片。

圖3為內(nèi)孔磨削自定心夾具磨削刀片中心孔時(shí)的裝配示意圖。將刀片的V形面定位面作為定位基準(zhǔn)與夾具的定位座V形面貼合定位，夾具座V形面又與連接軸的定位芯軸貼合定位，且滿足中心孔與V形定位面之間的距離等于定位芯軸中心到V形定位面之間的距離(L1=L2=R，即刀片中心孔與夾具回轉(zhuǎn)中心同軸)。此時(shí)可精確保證磨削中心孔時(shí)的尺寸精度和位置度公差。

圖3 內(nèi)孔磨削自定心夾具裝配

夾具較巧妙地解決了先磨削周邊V形定位面后磨削小中心孔方案中存在的工藝難點(diǎn)，同時(shí)在批量加工時(shí)不需要找正刀片內(nèi)孔就能夠快捷、精準(zhǔn)地加工產(chǎn)品，具有簡單可靠、定心精度高、操作方便和加工效率高的優(yōu)點(diǎn)，也使得工藝方案具備了高效和低成本的優(yōu)勢。

3.3 磨削尺寸的驗(yàn)證分析

為保證小直徑內(nèi)孔的高磨削效率，采用多主軸內(nèi)孔專用磨床，內(nèi)孔磨削加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速大于30000r/min，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)孔的粗、精加工。內(nèi)孔磨削自定心夾具首次安裝在設(shè)備主軸上時(shí)找正跳動(dòng)，后續(xù)磨削僅更換刀片即可，無須再次找正。為驗(yàn)證內(nèi)孔磨削工裝精度保障能力，跟蹤現(xiàn)場刀片中心孔磨削具體加工情況，抽樣檢測產(chǎn)品精度。實(shí)際加工產(chǎn)品按連續(xù)抽樣及隨機(jī)抽樣的方式共抽取50片以統(tǒng)計(jì)中心孔徑的數(shù)據(jù)，并對(duì)小批試制產(chǎn)品的過程能力指數(shù)Cpk值進(jìn)行計(jì)算分析。

根據(jù)過程能力控制理論，Cpk評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)中規(guī)定：當(dāng)滿足1.67≥Cpk≥1.33時(shí)，Cpk評(píng)級(jí)達(dá)到A級(jí)，規(guī)定的處理原則為狀態(tài)良好維持現(xiàn)狀，即可達(dá)到批量生產(chǎn)的控制能力[10，11]。Cpk值的計(jì)算公式如式(1)所示，其中制程準(zhǔn)確度Ca和制程精密度Cp的計(jì)算公式分別如式(2)和式(3)所示。

Cpk=CP(1-|Ca|)

(1)

Ca=2(X-C)/T

(2)

Cp=T/6σ

(3)

式中，X為取樣數(shù)據(jù)平均值；C為公稱尺寸；T為公差；σ為取樣數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差。

圖4為抽樣50片產(chǎn)品中心孔孔徑的波動(dòng)情況。從實(shí)際檢測結(jié)果可知，產(chǎn)品中心孔d滿足±0.005mm尺寸精度要求。

圖4 抽樣產(chǎn)品中心孔孔徑波動(dòng)情況

表1為取樣50片產(chǎn)品中心孔的孔徑過程能力指數(shù)Cpk值的計(jì)算過程及數(shù)值?？梢缘贸?，內(nèi)孔磨削夾具磨削的中心孔孔徑過程能力指數(shù)Cpk為1.36，根據(jù)控制理論可知，中心孔孔徑的磨削工藝已經(jīng)達(dá)到尺寸精度及批量生產(chǎn)的要求。表2為中心孔位置度的過程能力控制指數(shù)Cpk值計(jì)算過程及數(shù)值。中心孔位置度Cpk值可達(dá)1.34，滿足批量生產(chǎn)的條件。

表1 中心孔孔徑的過程能力指數(shù)Cpk值計(jì)算

表2 中心孔位置度過程能力指數(shù)Cpk值計(jì)算

圖5為抽樣25片產(chǎn)品中心孔位置度的波動(dòng)情況(每片產(chǎn)品有兩個(gè)位置度尺寸)。由實(shí)際檢測結(jié)果可知，產(chǎn)品中心孔的位置度滿足φ0.01mm的控制要求。

圖5 抽樣產(chǎn)品中心孔位置度的波動(dòng)情況

4 結(jié)語

單片精銑硬質(zhì)合金刀片的磨削加工是一個(gè)復(fù)雜過程，工裝對(duì)產(chǎn)品的加工難度、精度保證和工藝要求均有重要影響。通過優(yōu)選磨削工藝方案，設(shè)計(jì)內(nèi)孔自定心磨削夾具對(duì)中心孔進(jìn)行磨削加工，并對(duì)高精度精銑刀片關(guān)鍵磨削尺寸的過程能力指數(shù)Cpk值進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論。

(1)通過工藝分析，定位面基準(zhǔn)磨削方案更能保證磨削精度，以定位面為定位基準(zhǔn)再磨削中心孔的工藝步驟更有利于保證中心孔的尺寸精度和位置度。

(2)基于內(nèi)孔磨削夾具結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)高精度中心孔孔徑的精度控制，中心孔孔徑過程能力指數(shù)Cpk值可達(dá)1.36，可進(jìn)行批量生產(chǎn)。

(3)通過工藝優(yōu)化，中心孔與定位面之間的位置度過程能力指數(shù)Cpk值達(dá)1.34，可進(jìn)行批量生產(chǎn)。