汽車鍛造前軸加工工藝方案的制定和設備工裝的選型或設計（續(xù)1）

亮劍

汽車鍛造前軸加工工藝方案的制定和設備工裝的選型或設計

                    ——《我的機械技術體會之一二三》小結
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作者：亮劍

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第二部分 制定前軸加工工工方案的各種加工方法調(diào)查

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    現(xiàn)代切削加工技術發(fā)展非常迅速,特別表現(xiàn)在刀具材料、刀具涂層、高速切削、硬切削、干切削等方面。結合現(xiàn)代數(shù)控技術理論和系統(tǒng)的發(fā)展成果,連續(xù)不斷出現(xiàn)大幅提高效率、降低成本、環(huán)保綠色的制造技術,切削加工已經(jīng)進入了全新的高速時代。作為機械工程（工藝）師,必須跟蹤這些先進技術;作為大型生產(chǎn)線的工藝設計,必須合理使用這些先進技術。
    據(jù)專家統(tǒng)計,在機械加工工作總量中,鉆孔占20-25%,銑面還要高一些。汽車前軸是鍛鋼調(diào)質(zhì)件比較典型的面和孔的切削加工。所以我在此專門列出這一部分:各種加工方法調(diào)查,用以說明這個問題。列舉汽車前軸加工的例子,也是為了簡化說明。
$ k) \) Z# q# T4 M8 t0 S1 制定工藝方案必須首先注意的幾個問題
    企業(yè)都是以贏利為目的的,企業(yè)的任何商務投資活動都要追求以最少的投入獲取最大的產(chǎn)出,(當然企業(yè)的公益活動不在此列)。所以,大型加工線的投資首先應該注意以下對成本影響巨大的幾個事項:
1.1 重視刀具選擇
7 i% t' [, J& `! b6 X9 o    工欲善其事,必先利其器。現(xiàn)代加工中刀具費用只占制造成本的3～4%，但它對總制造成本的影響卻要大得多。加工效率提高20%加工成本可降低15%，而刀具價格下降20%加工成本只能降低0.6%，刀具壽命延長一倍加工成本也只降低1.5%。刀具是提高加工效率和降低生產(chǎn)成本的有效手段。當加工方法確定后,由刀具的選擇決定了切削用量,進而決定了生產(chǎn)效率;由刀具的選擇決定了切削力和功率,進而才能確定設備及其配置以及夾具的選擇或設計。因此一把價值不高的刀具會影響價一臺價值昂貴的設備選擇,或者影響整個加工線的工藝方案,進而影響企業(yè)的制造成本。而一般的專機廠好象對刀具問題很不重視,表示極大的不理解。
    重視刀具技術的另一個重要內(nèi)容是刀具應用技術。而刀具應用也是一門技術,很多的把握性需要切削理論的支撐和對刀具供應市場的了解。特別是在大型專用加工線工藝方案制定方面,往往沒有試驗摸索的時間,只允許成功。切削理論和刀具技術的進步快到每2-3年就會有全新技術的刀具面世,已經(jīng)到了令人眼花暸亂的地步。及時掌握和更新先進的切削技術和刀具成為刀具應用的關鍵。
部分國家或行業(yè)的制造成本餅圖如下圖1、2。

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' b* @* x" }# c/ F1 ?1.2 設備利用率
2 Q; m( Y  a7 c7 H. I# C( l/ k    一般的機槭企業(yè)往往過分注重降低人工成本,而忽略了他所擁有的占大頭的設備資產(chǎn),不去注意設備利用率。其實設備大幅提高利用率也是效益，而一般企業(yè)設備只有不足30%的時間在為公司創(chuàng)造效益。以一臺50萬元設備分析,如果純切削時間由25%提高到50%,那么它的產(chǎn)出就提高了1倍,相關制造費用也隨之下降甚至幅度更大。
    落實到大型加工線的工藝設計,就是節(jié)拍的均衡和效率問題,即如何設計可以在工序之間節(jié)拍均衡,使各臺流水作業(yè)的設備不閑置;如何設計可以把輔助時間與機加工時間重疊,使機床切削時間延長;如何設計可以減少機床調(diào)整時間,保證加工合格率和減少非切削時間;如何設計可以預先檢測到刀具磨損(破損)和設備故障。這一切歸納起來就是如何設計才能提高設備利用率,做到這一點就做到了最佳投入產(chǎn)出的設計。
3 X0 i  g% [7 P7 U7 I' k1.3 現(xiàn)有技術的配套和提高
    制定大型加工線的工藝方案還要涉及到先進技術的應用和落實問題,即使用企業(yè)的總體技術水平以及總體技術水平的提高問題。不能因為現(xiàn)有技術水平不高而不進步,更不能引進先進技術設備而缺乏配套措施如技術培訓、相關人才儲備、良好的機床配套輔具等。比如企業(yè)中很常見的一種現(xiàn)象是買了一臺加工中心,因為沒有相關人才和技術導致幾年沒有很好的利用,或者舍不得花錢配需要的"好鞍"而在低效運行。
' k7 g/ }5 S9 N2 汽車前軸的加工內(nèi)容
    從例圖可以看出:前軸加工沒有幾道工序;加工精度又遠非發(fā)動機零件可比。但是,前軸加工有其特點和典型性:零件大而細長且貴重;材質(zhì)中硬略粘;還有幾處機加工中的難點。對于產(chǎn)品設計中的加工精度設計,其中包含了很多設計服從于工藝水平和成本控制的無奈。
2.1 平面加工
    有兩處加工平面:兩個鋼板彈簧座平面和兩端主銷孔上下端面,這六個面相互有位置要求。此處的平面加工方法顯然應該采用硬質(zhì)合金端面銑刀銑削。
2.1.1 兩個鋼板彈簧座平面
1 ^9 V. P+ P8 v5 m6 v. v* F    按照鍛造拔模斜度7度計算,個別重型前軸分模高點加工余量已經(jīng)接近18mm。根據(jù)加工的先面后孔原則,此時只能以毛坯定位夾緊。一次切除18mm余量顯然是困難的。若一次裝夾下進行粗精銑,會達不到預期效果(1是沒有切削產(chǎn)生的內(nèi)應力的自釋放時間,2是二次夾緊如何合理實現(xiàn)有一定難度),根據(jù)圖紙要求,增加精銑又會增加不必要的工藝成本。因此這算是一個工藝難點。
" {( V: t1 G" J. h9 x2.1.2 兩端主銷孔上下端面
    零件細長,加工面與鋼板彈簧座平面有位置要求使得該處加工余量不得不留的大一點。一般一端的兩個面合計加工余量12mm以上,分配到一面可能達到10mm以上,而且不確定。
: K+ m% ~& Z. z& O% B, q2.2 孔加工
, x1 ~6 h/ A. H    按加工精度分有普遍的光孔(鋼板彈簧座平面上10孔);普遍的沉孔;中等精度的光孔(鎖銷孔);高精度的光孔等(7級精度的主銷孔)。
2.2.1 鋼板彈簧座平面上10孔
    這10個孔要求不高,主要是效率問題和鉆削切出于鍛造斜面,可能造成鉆頭損壞的問題。另外需要選擇其中的兩個孔作為一面兩銷的定位銷孔。
1 o  a4 o9 w$ i2.2.2 兩個主銷孔
6 U3 s. ~, H& l  H5 l    這是前軸最重要的加工部位,其關聯(lián)因素也比較多:有其本身的尺寸和形狀公差及其表面粗糙度;有兩個孔的位置要求;有壁厚差要求;還有端面與其垂直度的要求。這些技術要求相互關聯(lián)交叉影響,如曾有某廠加工孔園度超差,后找出原因是壁厚差造成的。總之主銷孔尺寸比較大,精度要求高,毛坯無底孔,高效穩(wěn)定實現(xiàn)工序Cp值>1.33是比較困難的。
2.2.3 鎖銷孔
    鎖銷孔是鎖止主銷用的,裝配一個帶有斜面的鎖銷。因此,該孔必須與主銷孔交叉,并且對主銷孔有比較嚴格的位置要求。交叉孔的加工難度是很大的。
. x/ ]7 \0 b1 @' K7 q9 F; W+ r0 i5 [3 國內(nèi)常用加工方法
3.1 銑面
3.1.1 前蘇聯(lián)的前軸六面銑專機一次銑成方案。一汽底盤、重汽橋箱等廠家仍在使用。
, q" r; ]5 a- ]5 b3.1.2 采用標準銑刀盤的板簧面和拳部面分別加工的組合銑床方案。板簧面組合銑床有立式單軸和雙軸龍門式。拳部上下面組合銑床有臥式對銑和立式串兩面刃銑刀式。由于是采用標準銑刀盤,當遇到加工余量過大的工件時,不得不人工調(diào)刀多次銑削。
/ x# Y- N7 F! Q4 v3.2 孔加工
3.2.1 普通的10孔和沉孔的加工一般有采用多軸鉆削(锪削)的專機方案和搖臂鉆床配專用鉆模夾具的通機方案這兩種方案。前者效率高但存在多品種加工難兼容的缺陷;后者單孔加工效率低但是產(chǎn)品換型快。個別企業(yè)有采用立加+U鉆+專用夾具的方案(如一汽底盤新線),但這個方案在技術經(jīng)濟上并不顯示出多大優(yōu)勢。
3.2.2 主銷孔加工過去通常采用普通刀具鉆擴鉸工藝,設備則采用通用立鉆或搖臂鉆床。其中比較好的是一汽底盤,最終工序采用拉削,而且其垂直面進行精锪,這在當時屬于最先進的工藝。現(xiàn)在在一般企業(yè)底孔加工幾乎都采用機夾淺孔鉆,再進行粗精鏜孔。對其垂直面精加工有兩種工藝:一是采用鏜車頭的鏜孔車端面工藝;一是采用精銑精鏜的復合工藝。
3.2.3 鎖銷孔的加工
鎖銷孔與主銷孔交叉,屬于工藝難點,一般宜于先大孔后小孔。最傳統(tǒng)且可靠的加工方法是在已加工的主銷孔中加塞子后用通用鉆床鉆擴鎖銷孔。后某專機廠開發(fā)三工位鉆-銑通-鉸鎖銷孔專機方案及其升級版帶刀庫的加工中心型專機方案,采用普通刀具加工。從效率和工藝成本分析反不如傳統(tǒng)加塞子方案。
; Y. W( N9 n* L, n. p( W4 目前銑削的發(fā)展狀況和平面銑削加工的選擇要點
$ q5 A- g( M2 Z0 e: i3 C* W4.1 平面銑削技術的發(fā)展狀況
4.1.1 高速銑削簡介
    高速切削是基于以下切削理論的:自年開始,科學家進行了大量試驗研究,得出的理論是當切削速度超過一定界限,刀具磨損反而降低。隨著高速機床的產(chǎn)生,被實踐所證實,并迅速在航空航天、汽車、模具加工等行業(yè)推廣應用。見下圖。隨著切削技術、刀具材料和機床技術的發(fā)展,銑削技術正在走向高速高效化。

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    但是,采用高速銑削,機床、刀柄、刀具系統(tǒng)平衡、刀片選擇、刀片夾固方式等一切都是非傳統(tǒng)的了。比如刀具系統(tǒng)平衡量一般要求要達到,最高轉速歐美國家都有標準的明確規(guī)定。
6 j- C* g" z2 J- N6 l5 k1 ]4.1.2 銑削工藝范圍擴大
! V% P+ \4 L) s) V- J    結合設備及其數(shù)控技術,銑削功能正在擴展(比如插補銑削和螺紋銑削),擴展成為銑凸臺、曲面、鏜孔等各種空間型面加工。圖示就是比較典型的用于園周插銑的高速銑刀和圓周銑削工藝用于多種不同的加工任務示意。

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4.2 平面銑削加工的選擇要點
4.2.1 平面銑削選擇的基本概念
    銑削加工,工藝系統(tǒng)剛性尤為重要,因為銑削本身就是斷續(xù)切削,是振動源。因此,對于機床主軸和進給系統(tǒng)的剛性,夾具夾緊力大小及方向、特別是夾緊的自鎖可靠性,以及刀盤刀片裝夾結構和精度要求較高。
( a& Z  T  j/ w$ i2 O2 s    實現(xiàn)這種高剛性并不是很容易的事情。至少我發(fā)現(xiàn)很多設備及刀具廠,特別是其中的工程師,對零部件的表面粗糙度幾乎就沒有特別的意識,對形狀誤差的認識也很泛泛。
4.2.2 機夾端銑刀的一般結構形式
: @3 Y% ?# y5 }' I1 O    見下圖,它包括刀片、夾緊件、刀體三部分。后發(fā)展有模塊式端銑刀,將裝刀片部分設計成適應切削各種材料的不同刀夾。在某些場合(如)有做成刀片平裝式,如下圖。

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4.2.3 機夾端銑刀的基本參數(shù)及其對切削的影響
: O' k! E# d$ y( d5 v/ S端銑刀的主要切削角度及其對切削的影響見下圖及說明。
$ m) ?9 F8 ?& q3 |; a) K
! d$ W! Z5 H- d  s6 {其中:
g0——前角：前面與基面間的夾角，在主剖面中測量。作用：決定切削刃的鋒利程度和強度。增大前角可減小切屑變形，減小切削力和切削功率。
% g5 g! p' O$ Pls——刃傾角：主切削刃與基面間的夾角，在切削平面中測量。作用：控制切屑流向，影響切削刃強度和切削分力的大小。
gp——背前角(軸向前角)：前面與基面間的夾角，在背平面中測量。作用：決定刀齒的強度和切削力的大小。
' V* C8 m- p( Q7 o$ P8 \; |0 t( ygf——側前角(徑向前角)：前面與基面間的夾角，在假定工作平面中測量。作用：決定刀齒的強度和切削力的大小。
kr——主偏角：主切削平面與假定工作平面間的夾角，在基面中測量。作用：影響刀尖部分的強度、切削分力之間的比例、工件表面的形狀和切削刃參加切削的長度。
5 o' @" z: l$ E% W8 ykr'——副偏角：副切削平面與假定工作平面間的夾角，作用：在基面中測量。減小副切削刃、副后面與工件已加工表面的摩擦，影響表面粗糙度。
' l6 @+ ]7 J3 n- e9 u3 Oa0——后角：后面與切削平面間的夾角，在正交平面中測量。作用：減小后面與工作表面間的摩擦，并與前角決定切削刃的鋒利和強度。
4.2.4 機夾端銑刀的選擇
; U0 D+ h, k) P+ ^+ J  N2 B    根據(jù)應用場合,銑刀盤一般分為粗齒、中齒、密齒。一般粗加工追求切削效率,宜于選擇粗齒銑刀;精加工需要保證加工精度和表面粗糙度,宜于選擇密齒銑刀,現(xiàn)代的精銑刀盤一般加1片修光刃。
1）通常對稱銑削的銑刀直徑D=(1.1～1.6)ae     ae=銑削工件表面寬度。刀具所需功率應在機床額定功率范圍之內(nèi)，
2）銑刀幾何參數(shù)的選擇：
4 u% ^. h5 ?& ]1 f( D7 p前角的選擇
/ k- Y+ Z$ j: A' V5 P! k* w    正確選擇可轉位面銑刀的軸向前角gp十分重要：選用較大gp時，切削刃鋒利，切削輕快，消耗功率少，但刀刃強度低；選用較小gp時，切削刃強度增加，但切削力也增大，消耗功率增多。可轉位面銑刀軸向前角的選擇范圍較大，需根據(jù)實際加工情況合理選擇。切削塑性材料時，宜選用較大前角；切削脆性材料時，宜選用較小前角；切削難加工材料時，則需綜合考慮。刀齒負荷較大時，宜選用較小前角；反之，則可選用較大前角。
    可轉位面銑刀徑向前角gf的選擇原則與軸向前角類似，但由于銑刀結構所限，gf的變化范圍不大。此外，徑向前角gf還直接影響排屑方向；gf較大時，使切屑離開工件；gf較小時，使切屑壓向工件。一般情況下，gf = 0 的面銑刀應用范圍較廣，但選用時仍需結合gp綜合考慮。
* F5 o1 N* {) o% p* @1 T9 g) i主偏角的選擇
$ O9 u  k8 }; F3 {. X. `7 d    可轉位面銑刀的主偏角主要影響進給力和垂直進給力。45°主偏角適用于加工鑄鐵或在銑鏜床主軸懸伸較長條件下加工。采用45°主偏角時進給力的徑向分力與軸向分力大致相等，切削力分布在刀刃較長的部分，具有很好的抗振性；60°主偏角適用于銑鏜床上的粗加工，可較大幅度地減小進給力，顯著改善抗振性；75°主偏角是最常用的主偏角，由于其刀刃利用性較好，因此具有較好的加工經(jīng)濟性。
3）可轉位面銑刀刀片的選擇
0 Q, U$ z1 e$ m& |. d/ u    銑削刀片的切削刃長可根據(jù)最大背吃刀量來選擇，通常最大背吃刀量可為切削刃長的2/3～3/4；當加工余量不足切削刃長的1/2 時，則應更換小規(guī)格刀片。
    可轉位面銑刀刀片材質(zhì)的選擇也十分重要，應根據(jù)被加工件的材質(zhì)選擇相應的刀片材質(zhì)。選用涂層牌號的刀片可得到較好的切削效果，大幅度延長刀片使用壽命。
    詳細不一一說明了，可以查閱相關資料和樣本。

5 鉆孔加工技術的發(fā)展狀況和孔加工刀具的選擇要點

) \! M* z) J' Q: G

（待續(xù)）

1 A  \# V( E* b8 X6 z1 c, R, q1 ^附件:

llppq

支持一下,不錯

lhp71l

支持一下

lhp71l

后面的啥時發(fā)啊？期待中！

xhb770726

不錯，繼續(xù)。

烽火狼

期待你發(fā)鉆孔技術，等待中。。。

jucc

是啊,全發(fā)了吧

ted_zhang

頂。樓主乃高人。中國的制造業(yè)啊。

wjqyet

支持！

齊魯大帝

樓主乃高人。中國的制造業(yè)啊。