擠光刀設計研制技術攻關

黃戰鵬 梁亞蘭

摘 要：分泵擠光工藝是近年有色加工的一種新工藝，其中擠光刀具是整個工藝改進的關鍵；了解并熟知擠光設計原理可以幫助工藝快速掌握擠光工藝的核心加工參數，提升加工工藝水平。

關鍵詞：擠光刀；設計；研制；技術

1 問題的提出

分泵擠光原理是通過擠光刀的滾珠繞刀桿進行自轉運動擠壓產品表面，從而達到零件尺寸和表面光潔度要求。由于擠光是無銷加工，表面質量要求高，所以要求刀具表面光潔度和硬度非常高；其刀具是由滾珠、刀桿、刀套、錐柄四部分組成，擠光刀的工作部位為滾珠和與之配合的刀桿，滾珠與之刀桿相互配合，硬度、直線度、材料韌性以及疲勞極限等諸多方面完美結合才可實現擠光要求。擠光工藝是最近幾年新出爐的工藝，我廠沒有現成的資料可以查詢。為了實現生產的自給自足，我們必須從零做起，自行設計制造擠光刀具。

2 方案提出與論證

擠光刀四部分工作方式：

（1）滾珠（滾壓主體，從動元件）；（2）擠光刀桿（與滾珠配合，傳動元件）；（3）刀套（尺寸調節）；（4）錐柄（機床連接部位）。

從刀具使用角度來說，滾珠與刀桿是直接工作部位，而刀套和錐柄屬于間接工作部位，其并不參與滾壓，不會因為長時間使用而磨損。滾珠與刀桿直接參與滾壓，是磨損件。通過對已經磨損報廢的刀具進行分解，擠光刀報廢主要是刀桿與滾珠配合部位連續滾壓達到金屬疲勞極限。所以擠光刀設計要從刀桿和滾珠入手。

方案一：設計制造刀桿，滾珠購買標準件。

方案二：刀桿和滾珠全部自制。

分析比較：

方案一中刀桿按照滾珠錐度進行設計制造，由于滾珠錐度公差無法確定，測繪值同實際尺寸偏差較大，則滾珠與刀桿配合會有以下三種情況：

情況一：刀桿與滾珠配合于豎直方向成負角度，在工件加工過程中滾珠與刀桿是線性接觸，接觸部位疲勞強度增大，刀桿前端易于磨損，制件表面光潔度不能滿足產品要求而且加工的產品入口端為錐面。所以不能滿足設計要求。

情況二：刀桿與滾珠配合于豎直方向成正角度，在工件加工過程中滾珠與刀桿也是線性接觸，接觸部位疲勞強度增大，刀桿后端易于磨損，制件表面光潔度不能滿足產品要求。而且加工的產品出口端為錐面，不符合圖紙要求。所以不能滿足設計要求。

情況三：刀桿與滾珠配合于豎直方向夾角為零度，在工件加工過程中滾珠與刀桿接觸面積增大，滾珠與刀桿是面接觸，能夠最大限度的確保接觸表面的疲勞強度，刀桿不易磨損，而且加工的產品出口和入口能夠保持一致，滿足圖紙要求。

通過以上分析，由于滾珠與刀桿配合角度的不可預測性，不能確保加工的產品100%滿足要求，而且實際上也很難做到第三種情況，所以方案一放棄。

按照方案2，我們給定一個固定值加工刀桿，將刀桿尺寸控制在一個合理的范圍，按照刀桿的錐度配做滾珠，能夠最大限度的滿足設計要求，使的滾珠與刀桿最大限度的接觸。而且可以根據材料性能不同選擇合理的錐角配合，從而最大限度的延長刀具的使用壽命。

3 方案的實施

3.1 機構選擇及幾何尺寸的計算

按照擠光工藝的加工方式，可以將擠光刀納入非標準散裝滾動軸承的形式，因為所加工制件為鋁制品，加工余量小，表面承受載荷小，需要的摩擦力矩小，按照刀桿尺寸調節要求（調節螺紋螺距為1），尺寸調整將一個螺旋圓周等分為25格，每格尺寸調節量為0.002mm，軸向尺寸調節量為1.5mm，則能推出擠光刀桿的錐度為3°。

為了確保滾珠和刀桿配合后余刀桿直柄部分夾角最大限度接近于零，則刀桿和滾珠的錐度值為：

滾珠（如圖1）：

刀桿（如圖2）：

3.2 強度校核

但是由于滾珠和刀桿徑向承受的載荷很小，完全能滿足設計要求。故再次不作詳細的強度校核。

4 加工工藝實踐

由于滾珠與刀桿之間要連續進行滾壓，所以對材料的表面硬度要求比較高，我們選用的材料是GCr15（軸承鋼）。選用這個材料是因為他的抗疲勞衰減性能非常好，而且熱處理變形小，易于加工。

在整個工藝路線中，車工工序難度比較大，加工桿細而且長，而且刀桿直線度要求高，所以加工過程中非常容易變形，車工加工用的跟刀架最小直徑10mm，而制件的最大毛坯余量要求在9，以至跟刀架用不上，所以加工過程中，我們對整個軸分三段粗車，盡量減少直車長度，粗車后將刀架頂直，用無心磨修正直線度，留精磨余量0.6mm。

熱處理工序是刀桿加工的關鍵工序，淬火硬度低刀桿抗疲勞衰減差，淬火硬度高刀桿變形大，精磨修正難度大。通過對刀桿工作狀態的仔細分析，錐面部位需求材料硬度高，而直柄部分對材料硬度要求低，對材料的綜合性能要求高。所以熱處理需要分布進行。首先對材料通體進行調質處理，提高材料綜合性能，而且調質處理材料熱變形小，能滿足工藝要求。對錐面部分單獨進行高頻淬火，提高材料表面硬度，達到HRC64以上。經過這樣的處理，能夠很好的解決熱處理變形通硬度值沖突的矛盾。順利解決了加工中的難題。如果熱處理后變形大，后續有校正工序，能夠100%滿足工藝要求，實現刀桿的小批量生產。滾珠尺寸小，用一般工藝能夠滿足生產要求，這里就不再進行描述。

5 結束語

目前，自制的擠光刀已經實際應用于生產中，通過試加工可以初步得到結論，自行設計制造的擠光刀能夠滿足設計要求，也符合生產需求，解決了實際生產中的難題。通過對擠光工作原理的了解，以及在加工過程中刀具工作部位的受力分析。我們快速掌握了擠壓工藝的關鍵參數，對擠光工藝的工藝特性有了全面的了解。同時，通過設計制造刀具，研究刀具結構這方面的工作，深入分析零件加工工藝，不斷完善工藝參數，持續優化。這種研制思路打破了原來工作模式。它不僅僅是一種工藝方式的突破。更重要的是為今后的工藝研究提供了一種新的創新思路。

作者簡介：黃戰鵬，出生：1981.7.2，性別：男，民族：漢，籍貫：陜西.彬縣，現職稱：中級工程師，學歷：本科，單位：陜西華興汽車制動科技有限公司。