新型組合式斷屑刀具在曲軸沉孔加工中的應用

覃明龍

摘 要：為減少加工過程中造成的不斷屑問題，本文通過對用于形狀復雜的曲軸沉孔鉆削加工的刀具結構研究，發現采用一種新型組合式帶斷屑槽的刀具，可有效解決不斷屑問題，提高生產效率，降低刀具成本。

關鍵詞：曲軸 沉孔 斷屑槽 斷屑

1 曲軸加工刀具使用現狀與問題

在曲軸制造過程中，通常面臨復雜的法蘭端沉孔結構，而且多為盲孔加工。為減少加工節拍，目前國內外發動機工廠通常使用一體式成形刀具，將多個不同直徑階梯及帶倒角的沉孔，進行一次性加工。此類成形刀具的材質通常采用整體硬質合金，成本較高，并且在第2或第3階梯無法修磨斷屑槽，易導致韌性較高的鍛鋼曲軸無法有效斷屑，堆積造成機床加工倉堵塞，影響生產效率，已成為鍛鋼曲軸量產的瓶頸和重大技術難關。

2 原因與解決方案分析

針對不斷屑問題，對刀具和鐵屑結構進行分析，主要在刀具的第2階梯刃口不斷屑，見圖1，進而導致在鉆削加工過程中，無法有效斷屑，導致長鐵屑的產生，加速刀具的磨損，影響零件加工質量，造成機床加工倉內部堵塞，影響生產效率。

方案一，提高鉆削加工進給參數。其主要通過增大切屑的厚度，由于厚度變大，鐵屑內外層的變形差變大，通過這種變形差別，可以引起切屑卷曲。當切屑卷曲半徑達到一定值時，切屑底層受到的張應力也相應增大，而當超過切屑的斷裂極限時，則切屑折斷，斷屑形成。但是，在考慮刀具加工壽命和成本上，提高鉆削加工進給參數，在一定程度上，加速刀具刃口的磨損，刀具壽命也相應減弱，刀具符合率降低，最終導致刀具成本升高。 對于大批量生產的工廠，更側重成本上的控制。因此，該方案不采納。

方案二，通過優化刀具結構方式，解決不斷屑問題，即在原來刀具上修磨相應的斷屑槽，但是目前的刀具由整體硬質合金修磨而成，一方面，第2階梯切削刃無斷屑槽，無法斷屑，另一方面，由于刀具結構復雜，無空余的位置留與砂輪進行修磨，易導致砂輪修磨時會與刀體發生干涉，無法在第2階梯上修磨斷屑槽，存在結構上無法彌補的缺陷，因此，該方案不采納。

方案三，從刀具結構分析，采用一種新型組合式斷屑刀具，由模塊化鉆尖、刀體和帶斷屑槽刀片組成，見圖2和圖3。主要通過刀片預制作的斷屑槽對鐵屑進行斷屑，其中模塊化鉆尖材質是硬質合金，鉆尖通過特殊旋轉的方式安裝到刀體上;第2和3階梯的刀片是可更換式可轉刃刀片，且預修磨斷屑槽后，再通過螺栓擰緊方式安裝到刀體上;刀體采用調質鋼材質，仿形加工排屑槽，帶中央內冷孔，保證加工冷卻響應及時性。因此，該方案可嘗試。

3 方案效果驗證

通過以上方案分析，按方案三驗證，采用此新型組合式斷屑刀具代替原來的整體硬質合金鉆頭加工，安裝新刀片，調整刀具跳動，保證節拍，按原加工參數加工，按正常加工1+5+50件驗證，鐵屑均可有效斷屑，而且鐵屑長度從原來的60mm縮短到5mm以內。斷屑效果明顯，這將是對新型斷屑刀具最好的詮釋。

除此之外，在設備上，相比之前的整體合金鉆頭加工方案，開動率提高50%，有效地解決了不斷屑導致的加工倉堵塞問題;在加工質量上，降低鐵屑不斷導致的系列質量風險，大大降低返修和報廢率。從刀具成本上，兩種刀具成本比較，新型組合式斷屑刀具單件刀具成本降低近30%，這無疑到達了降本增效的效果。這也證明了方案三的可行性與有效性。

4 新型組合式斷屑刀具切屑斷屑原理

與舊刀具相比，新型組合式斷屑刀具自帶斷屑槽刀片，其有效切屑斷屑關鍵在于斷屑槽相關參數的優化，金屬材料加工過程中會產生大量切屑，切屑控制不良直接影響員工人身安全，降低產品質量，損壞夾具，降低刀具壽命，增加輔助節拍等。目前，刀片預制的斷屑槽作為最常用的方法控制切屑使鐵屑得以有效折斷，其斷屑原理是由于金屬材料在加工過程中出現硬化作用，切屑工件時會受沖擊和擠壓變形，會產生應變量，當應變量大于或等于材料的斷裂應變，最終形成切斷，到達斷屑目的。

在金屬切削過程中，斷屑槽的槽型、前角、寬度、刃口高度、斜角、凸臺、底角、槽底圓弧半徑等在切屑過程中的也會對斷屑起到不同的作用，通常根據不同的加工要求，通過優化各個幾何要數，可以實現可靠的斷屑。其中，斷屑槽的槽型來說，其曲率越小，切屑的卷曲半徑變小，切屑變形會相應加大，越容易折斷。斷屑槽的前角也是一個比較重要參數，當前角很大時，意味著槽型的卷曲半徑越小，切屑彎曲力增大，切屑容易折斷;斷屑槽的寬度越小，切屑的卷曲半徑越小，切屑彎曲力增大，切屑容易折斷;斷屑槽的刃口高度越低，可加大切屑變形，加大斷屑趨勢;斷屑槽的斜角，一般采用外斜式斷屑槽的斷屑效果較好;斷屑槽的凸臺離切削刃較近，則凸臺起到斷屑效果更明顯;斷屑槽的底角較小時，切屑的卷曲半徑也相應變小，切屑容易折斷;斷屑槽的槽底圓弧半徑較小時，切屑的卷曲半徑相應變小，切屑變形增大，容易產生折斷。當然各種幾何參數優化，更重要在于何種切屑工況，在復雜加工工況下，則綜合考慮各個幾何參數之間的配合。

5 新型組合式斷屑刀具的創新點

第一，無需修磨。新型組合式斷屑刀具由模塊化鉆尖、刀體和帶斷屑槽刀片組合而成，模塊化鉆尖和刀片為易損部件，使用一定壽命后更換;相比整體硬質合金階梯鉆，在加工到壽命后，必須返回刀具廠進行修磨刃口，才能到達反復利用的效果，刀具平均可修磨4次/支，中間存在增加修磨成本問題，以及修磨后的加工性能是否能與新刀保持一致的問題。新型組合式斷屑刀具，無需修磨，直接換新鉆尖和刀片即可，不存在這類問題，

第二，成本較低。新型組合式斷屑刀具體材料為調質鋼，僅鉆尖部分為硬質合金，制造成本低;相比整體硬質合金階梯鉆，毫無疑問，就是整個刀體材質都是硬質合金，而新型組合式斷屑刀具的鉆尖采用的是模塊化鉆頭，制造成本明顯降低。同時，模塊化鉆頭，采用高精數控設備加工，制造質量的一致性也可以的得到有效的保證。

第三，更換方便。新型組合式斷屑刀具的刀片，使用螺釘等緊固件，安裝到刀體上，便于更換，提高刀片更換效率;

第四，可修磨斷屑槽。新型組合式斷屑刀具的刀片，通過粉末冶金技術，預先制作好斷屑槽后，再安裝到刀體上，解決了整體式刀具由于砂輪干涉無法修磨斷屑槽的難題，起到良好的斷屑效果。

第五，刀片利用率高。新型組合式斷屑刀具的刀片采用”C”型刀片，呈菱形狀，開有4個斷屑槽，提高了刀片的利用率，有效的降低刀具成本。

6 結語

采用組合式斷屑刀具加工鍛鋼曲軸沉孔方案，能夠保證獲得良好的斷屑效果，對于后期新線新產品加工形狀結構復雜的沉孔項目來說不失為一個可行的低成本方案，同時，為刀具選型方面，提供了很好的經驗，從而達到提高生產效率和降低刀具成本的目的。

參考文獻：

[1]向志楊.鉆削典型難加工材料的斷屑技術研究[D]，東北大學碩士學位論文，18.

[2]龍新延，熊計，畢泗慶.硬質合金刀具槽型結構對切屑的影響[J]，工具技術：2007第41卷No1，83-85.