密齿面铣刀在柴油机箱体类零件加工中的应用
2017-11-20 来源： 玉柴机器股份有限公司制造技术部 作者：林丛立
摘要：为提高柴油机气缸体、气缸盖、离合器壳等箱体类零件的铣削效率，对柴油机生产线的所有粗铣、半精铣工序的机床、刀具进行改造，采用了先进的硬质合金可转位密齿面铣刀，普遍提高了加工线铣削效率30％以上，确保了生产线产量的不断提升，满足了市场对生产能力不断提升的需求，产生了显著的经济效益，为此，对密齿面铣刀在柴油机箱体类零件加工中应用作具体的研究和论述。
关键词：柴油机生产线；气缸体零件；铣削加工
由于市场需求的不断提升，柴油机生产线能力不断在进行填平补齐，由年产2．4万台，增至3．8万台，再到7万台，期间虽然进行了大规模的技术改造，但新增设备大多数是钻镗类组合机床，由于生产线场地与空间所限，生产线的铣削设备无法新增，铣削设备的效率与能力已远远满足不了市场需求，成为关键瓶颈工序，因此，对现有铣削设备进行改造，应用新工艺、新技术，提高生产线的铣削效率已刻不容缓。
1、密齿面铣刀应用的提出
对铣削工序的工艺系统进行具体的分析发现，制约铣削效率提高的主要原因是：硬质合金刀片强度、耐磨性不足，只能采用较低的切削进给速度。为此，在现有设备基础条件下，提高铣削效率的途径可能有：
(1)采用高强度、耐磨刀片
采用立方氮化硼等高强度、耐磨性好的刀片材质，可显著提高工件的铣削进给速度，但在同等刀片数量下，必须要求强大的切削功率以及机床强度，必要时还需要大流量冷却系统支持，在现状国产通用铣削设备不动基础上，设备功率与强度都不足，新增大流量冷却系统也困难，且国内诸如立方氮化硼等高强度、耐磨性好的刀片材质开发仍未成熟，国外刀具运行成本太高，因此，针对现状条件，采用高强度耐磨刀片仍没有现实基础。
(2)减少每齿进给量，提高进给速度
在铣削过程中，每片刀片所受的切削力与每齿进给量成正比关系，减少每齿进给量，可减少每齿所受的切削力，在刀片同等强度下，可提高工件铣削的进给速度，从而提高铣削效率，因此，减少每齿进给量是提高铣削效率的途径之一。而要减少每齿进给量有二种方法：提高主轴转速、增加参加切削的刀齿数。
1)提高主轴转速，减少每齿进给量。虽然提高主轴转速，可减少每齿进给量，从而可相应提高工件的进给速度，达到提高铣削效率的目的，但主轴转速提高，切削的线速度也提高，刀片产生的切削热也提高，当切削热超过刀片耐受范围时，刀片就会急剧磨损，在没有有效的刀片冷却条件下，按目前国产刀片材料现实，难于实现。
2)采用密齿刀盘，减少每齿进给量。采用密齿刀盘，参加切削的刀齿数增加，则每齿进给量可相应降低，在相同的铣削条件下，可相应提高工件的进给速度，从而达到提高铣削效率的目的，随着刀具结构的不断优化改进，国内硬质合金可转位密齿面铣刀盘已成熟，刀盘成本差别也不大。
综上所述，通过几种方案的评估对比，在生产线设备不作重大变更条件下，采用密齿面铣刀是有效提高铣削效率的最简单、可靠、同比运行成本可接的最佳方案。
2、密齿面铣刀盘在生产线的实际应用
对柴油机生产线上所有铣削灰铸铁HT250的气缸体、气缸盖、离合器的粗、半精工序的盐城红旗单／双面组合铣床的铣刀盘全部更换为密齿面铣刀盘，直径500的铣刀盘，由原来的30片提高为60片；直径400的铣刀盘，由原来的24片提高为45片；直径315的铣刀盘，由原来的18片提高为36片，基本上增加了一倍，单纯从每齿进给量可降低一半来看，进给速度可提高一倍，则效率可提高一倍，但由于铣削过程受到复杂的机床、工装、表面粗糙度要求等诸多因素影响，难以达到全部更换的工序铣削效率都能提高一倍，但从实际应用效果看，最少都能达到提高生产效率30％以上，个别瓶颈工序设备更换为大功率高强刚性的强力铣削机床后，可以达到提高生产效率高于50％的目标。
密齿面铣刀盘在生产线的实际应用采用的铣削参数为：切削厚度2 mm～5 mm，单齿进给量0．05。0．15 mm／每齿，线速度100—125 m／min，必须特别注意：对特定的刀片材质，若线速度超越一个临界值，刀片的耐用度将大幅下降，因此，主轴转速及线速度与生产效率之间必须选好一个平衡点；更换密齿面铣刀盘后，进给速度普遍从160～200 mm／min，提高到250。315 mm／min，铣削效率提高30％以上。
3、密齿面铣刀盘在生产线应用的案例
铣刀盘齿数提升为原齿数的一倍，理论上，铣削效率可提高一倍，但由于受复杂的各种因素的影响，特别是在密齿面铣刀铣削过程中，虽然单齿进给量减少了，但同时参与铣削的刀齿数成倍增加，整个刀盘所受的切削力及切削热都在提高，因此，在实际应用中必须考虑如下问题：
(1)机床本身的电机功率及机床刚强度
由于同时参加铣削的刀齿数增加，切削力也在增加，所要求的机床功率、机床刚强度也要增强，因此，更换密齿面铣刀盘时，必须评估原生产线使用的设备状况，在确定工件进给速度时，必须考虑适当的动载及新刀片磨损后切削力上升等变化因素，否则，机床可能出现由于工件进给速度过高，而致机床工艺系统出现振动、工作台拖动无力、机床让刀、机床故障频繁等不利因素。
案例一：在生产线气缸体粗铣前后端面工序中，铣削厚度为3 mlTI～5 mm，原旧刀盘使用的进给速度为160 mm／min，机床铣削状态良好；更换密齿面铣刀后，先采用250 mm／min的进给速度，铣削效率可提高55％，但试切结果，机床振动严重，铣削效果不佳，后把进给速度降为200 mm／min，铣削效果良好，铣削效率提高30％．为了进一步提高生产效率，后来更换了一台强力铣削机床，机床主轴功率由7．5 kW提高到15 kW，机床的刚强度也加强，但工作台进给功率没162有提高，机床进给速度采用250 mm／min时，机床铣削平顺，铣削良好，生产效率提高55％，再把进给速度提高到315 mm／min时，铣削效率可提高95％，机床主轴铣削良好，但工作台时而出现爬行现象，加工状况不理想，说明机床主轴功率及机床刚强度都足够，但工作台进给功率不足，最后该工序进给速度确定为250 mm／min，生产效率只提高55％．
(2)工件铣削的有效面积
工件铣削面积越大，同时参与铣削的刀片数增大，其切削力也相应增大，对不同的有效铣削面积，必须采用不同的工件进给速度，才能保证高的铣削效率，否则，机床也会出现振动，让刀等影响加工质量的问题。
案例二：气缸体粗铣左右侧面工序与粗铣前后端面工序，铣削宽度一样，但有效的铣削面积不同，左右侧面以塔子凸台等形成间断的铣削面，中间部位有很多面积是不用加工的，而前后端面基本上是实体，属大面积实体铣削，前后端面的有效铣削面积比左右侧面的铣削有效面积大二倍以上；在机床型号、刀盘结构大小、铣削深度都相同条件下，粗铣左右侧面的铣削进给速度可以达到315 mm／min，而粗铣前后端面的进给速度只能达到200 mm／min，因此，有效铣削面影响着铣削参数的选择。
(3)工装夹具的刚性
由于参与铣削的刀齿数多，大量的刀齿频繁地切人切出工件表面，产生很高的振动频率，如果工装夹具刚性不好，工装夹具的固有频率与铣削的振动频率相近，就会产生“共振”现象，因此，在密齿面铣刀盘应用时，必须在工装设计时注意提高工装夹具的整体刚强性。
案例三：在气缸盖粗铣底面工序中，共使用了二台相同的设备，但工装夹具不同，第一台设备的工装底座由四块25 mm厚铸铁用螺栓连接在一体，夹具中空，整个夹具刚性不是很好，在更换使用400 mm密齿面铣刀铣削时，产生非常明显的振动，为了消除振动，先后试进行了顺铣、逆铣、偏心铣、减少铣削厚度等措施，但振动仍不能消除，最后采取在密齿面铣刀上隔齿去掉一个刀片的方法，才消除了振动，但新更换的密齿面铣刀对提高生产效率没产生效果；而在第二台设备上，使用的工装夹具是整体浇注的铸铁底座，新更换使用了400 mm密齿面铣刀，进给速度并提高30％情况下，铣削平顺良好，生产效率能提高30％；因此，在采用密齿面铣刀时，必须评估考虑工装夹具的刚性等状况。
(4)被加工产品的结构特性
柴油机气缸体、气缸盖结构非常复杂，产品的整体刚强性也显著影响铣削的效果，必须评估产品结构特点，选择不同的铣削刀盘与铣削参数。案例四：在气缸体精铣底面工序中，曾换用带修光刀的密齿面铣刀盘进行铣削，即使在相同铣削进给速度下，新刀盘铣削后的表面粗糙度比旧刀盘差，不能稳定达标产品图纸要求，主要原因有二：一是，气缸体底面二边是龙门结构，有100 mm长度的悬空，被铣削部位刚性较差，当更密集的刀齿参加切削后，产生更大的振动频率，遇上刚性较差的被切削部位时，产生严重的振动，致加工后表面粗糙度下降。
二是，密齿面铣刀盘压紧可转位刀片采用的是簧拉紧结构，此结构适于布置更密集的刀片，且更刀片更容易，但该结构致使可转位刀片为正2度前角，正前角铣削的切削力更大，对刚性差的工件而言，更容易引起振动，从而影响加工后的表面粗糙度。而旧刀盘采用的是楔块螺钉压紧结构，致刀齿布得较疏，且更换可转位刀片也不方便，但该结构能使
刀片形成负3度前角，铣削更锋利，因此铣削力更低，铣削的振动低，铣削平顺。因此，密齿面铣刀盘在些特定条件下并不适用。
4、结束语
随着刀具材料与刀具结构的不断发展，在生产线空间与设备限制条件下，可应用更先进的铣削刀，能有效提升其生产效率，本文所述的柴油机气缸、气缸盖、离合器壳生产线的所有粗、半精铣刀盘换为密齿面铣刀盘后，生产效率普遍可提高30％以上。更先进的刀具的应用，可能需要更高设备功率或刚强度，或大流量冷却等技术的支持，需要做好评估，才能有效发挥新技术新工艺的效能。
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