高速干式切削技術的優勢

　　在曲軸加工的各個工序中，精車主軸工序是銜接粗加工和精加工的紐帶，它不僅可以精確控制曲軸側臺、R角及軸向和徑向尺寸，還可以減少精磨主軸CBN砂輪磨耗，減少精磨的加工成本及精磨的單支節拍，是曲軸加工的關鍵工序之一，我們在此工序中采用了高速干式切削技術。

　　在我公司的實際應用中，與中速濕式加工相比，高速干式切削的主要優點如下：單位時間內金屬切除量顯著提高，切削速度由102m/min提升到180m/min，縮短工時244s，刀片壽命降低7.6%，切削液成本節省10%～12%;加工精度高，保證工藝要求D±0.02mm，表面粗糙度好;通過調整切削力，克服了振動引起的抗力，有利于加工軸頸尺寸大、質量大的曲軸;激振頻率高，切削平穩，基本上消除了高頻和低頻振刀，刀片崩刃機率下降了70%，表面殘余應力小;節省了切削液使用及維護費用，同時避免了切削液對環境的污染和對人體的危害。

　　高速干式切削的技術要求

　　鍛鋼曲軸屬于難加工材料，其具有強度高(650MPa<σb<900MPa)、硬度大(200機床、刀具都有非常高的要求，同時還要保證工藝尺寸，解決軸頸振刀、延長刀具壽命、降低加工成本等相關難題。

　　1.對機床的技術要求

　　數控機床是實現高速切削的首要條件和前提保障，曲軸加工不同于其他工件加工，有時轉速可以達到每分鐘幾千轉。通常加工曲軸的設備應具備導軌、頂尖和轉塔剛性好、回轉精度高以及可提供足夠的轉矩。這些因素是保證機床對曲軸這類特殊工件進行高速切削的基本要求，這也是采購機床時特別需要注意的要求。

　　2.對刀具性能的技術要求

　　高速切削時刀具的失效形式主要是磨損和破碎，刀具要分別按照磨鈍標準和破碎壽命選擇切削用量來確定刀具壽命。

　　通過多年與刀具廠家共同試驗，我們對涂層硬質合金刀具性能要求總結如下：

　　(1)選擇合適的涂層技術

　　采用MT-CVD+HT-CVD復合涂層技術的刀具綜合了多種涂層材料的優點，具有優良的熱硬性、高溫韌性和耐磨性，能有效解決高速干式切削合金鋼刀具使用壽命低的難題。

　　(2)足夠的硬度和韌性

　　高速切削時，刀具承受的切削力大，要求刀具材料的硬度至少為工件材料硬度的3倍以上，一般涂層刀片硬度大于HRA89.0，經表面強韌處理的復合涂層顯微硬度達2 600HV。如果片面追求高硬度刀具材料，易引起刀片崩刃，刀具材料必須要有足夠高的韌性。

　　(3)熱化學穩定性好

　　干式切削的高溫能加劇刀具材料與曲軸材料的化學親和性和材料間組成元素的擴散、溶解，其中的Al2O3涂層在切削過程中形成的惰性保護膜能起到抗氧化和耐擴散磨損的作用，特別是α-Al2O3能在高溫下能保持良好的化學穩定性和熱穩定性，從而延長刀具壽命。

　　(4)低摩擦系數

　　表面TiN涂層能代替切削液的潤滑作用，降低刀—屑、刀—工件摩擦產生的切削熱，同時提高了刀具的耐用度。另外，斷屑器的形狀也是影響切削溫度的因素之一。刀—屑接觸時間長，切削溫度升高快，切削刃易鈍化。

　　3.對加工工藝的技術要求

　　曲軸作為一種特殊形狀的細長軸(L/D≈9)，頂尖壓力過大會造成曲軸彎曲，高速切削過程中能產生很大的慣性離心力，振刀現象在所難免，因此，必須對切削參數、刀具角度、機床性能與曲軸材質進行合理搭配，才能解決數控車振刀問題，保證各個尺寸滿足工藝要求。

　　(1) 工藝參數的合理安排

　　解決振刀問題是實現高速切削的前提。眾所周知，數控車振刀與主軸轉速、進給速度和背吃刀量密切相關。通過主切削力、進給力和背向力對振刀的影響進行比較(如表1)，我們發現：切削過程中必須提供足夠的切削力才能克服振動引起的抗力，保證刀具進行平穩切削。

　　表1 切削力對振刀的影響

　　具體的切削用量因曲軸材質、形狀等因素有關差距很大，在此不做贅述。

　　振刀問題解決后，為充分發揮精車淬火前曲軸的加工效率，同時避免精車淬火后曲軸發生再生顫振，影響精磨主軸磨削效率，需對粗車主軸、精車淬火前主軸、精車(或半精磨)淬火后主軸的加工余量進行合理分配。余量的選擇因產品材質、機床精度及軸的跳動而異。常按倒推法計算：

　　精車淬火后主軸頸加工余量為：精車后四主跳動量+刀紋深度×2+A(A=0.2～0.5 mm);

　　精車淬火前主軸頸加工余量為：淬火后四主跳動量+刀紋深度×2+A(A=0.2～0.5 mm)。

　　(2) 刀具參數的合理選擇

　　高速切削過程中選擇恰當的刀具幾何參數，可以使更多的切削熱被切屑帶走。一般需注意以下幾點：①結合干式切削技術要求，高速切削選用比常規刀具略大的正前角可以獲得鋒利、強韌的切削刃，以減少前刀面與切屑的摩擦。一般選γ0=12°～15°，鑒于彌補大前角對切削刃的強度的削弱，刀片需要刃口強化，主要強化形式是鈍圓刃和后刀面刃磨負倒棱，倒棱寬度約0.1～0.3mm。因材質不同，倒棱寬度與曲軸硬度成反比。鍛鋼曲軸一般不對前刃進行倒棱。②后角的選擇主要考慮減少工件與后刀面的摩擦。③較大的負刃傾角可增強刀頭的強度，提高切削刃的抗沖擊能力，一般選擇λs=5°～8°。④根據曲軸材質和切削用量選擇合適的斷屑器，刀—屑接觸長度能直接影響切削的摩擦狀況，適當增加摩擦力可有效抑制振動。

　　(3) 圓角加工工藝

　　由于粗車主軸機床加工精度低，為保證軸向尺寸，側臺和R角的加工余量比軸頸的余量略大(如圖1所示)。當車刀快速進給到R角區域時，側臺余量每增加0.01mm，背吃刀量就相應增加1.2倍，切削力增大3倍，導致切削刃破損，尤其是加工材質較硬及淬火后的曲軸材料時。因此，最直接的解決辦法是盡可能地減少粗車主軸側臺的加工余量或者在精車主軸頸前對側臺首切。在單支加工節拍允許的情況下，可適當降低切削速度和進給量，這樣可以保持高速進給時切削的平穩性，刀片崩碎的機率可降低45% 。從刀具的材質上考慮，可以選擇韌性好的刀具材料，崩刃現象可得到明顯改觀，刀片壽命可提高30%。

　　圖1 圓角加工

　　(4)振刀控制

　　曲軸的振刀形式主要有兩種，一種是由高頻振動引起的鱗狀振紋，另一種是由低頻振動引起的螺紋狀振紋。高頻振刀出現的位置具有隨機性，對精車主軸工序影響不大，而低頻振刀常出現在二、三、四主軸頸的一側或者兩側，嚴重的低頻振刀可能會產生廢品，因此必須加以解決。數控車振刀不是簡單的因為某一個環節出現問題而造成，它是由多個因素共同作用形成的，每個主要問題如不能得到有效解決都會引起振刀，因此需要對振動原因進行整體分析，將問題逐一解決。

　　以下幾方面需特別注意：

　　①不平衡量超差。主軸高速旋轉過程中，不平衡量產生的交變應力能導致離心力振動波紋紊亂，引起嚴重的低頻振刀。表2為加工過程中出現嚴重振刀的曲軸不平衡量測定值。如果出現此情況應及時調整中心孔專機，保證動平衡量不超差。

　　表2 加工過程中出現嚴重振刀的曲軸不平衡量測定值

　　②調整刀尖高度。加工較軟的曲軸材質時，刀尖應略低于中心線，當曲軸材質較硬時刀尖應略高于中心線，具體降低或提高刀尖高度還要根據后角負倒棱的寬度及后刀面的磨損情況來定。

　　避免頂尖應力集中。當機床進入高速切削狀態，重力、切削力、離心力及不平衡量產生的交變應力會集中到頂尖上，其合力的反作用力能使曲軸彎曲變形、跳動超差。一般會在靠近頂尖的軸頸上產生嚴重振刀。針對此現象，可通過減小頂尖的伸長量、調整頂尖壓力值及增強頂尖的抗振強度來解決上述問題。

　　③增加抗振阻尼。切削過程中，振動的產生能量通過導軌、刀臺傳遞給刀尖，一旦有振動趨勢，機床的其他振動能量會迅速傳遞給振動系統，轉化成有害的振動能量，引起嚴重的低頻振刀，通過實驗高性能減震墊塊能有效的吸收振動能量，同時，還能得到很好的表面粗糙度。

　　④刀柄的選擇。由于平衡鐵的存在，需要將刀桿伸出刀臺50～80mm。對于重切削難加工工序，選擇剛性好的刀柄能提供足夠的穩定性、平衡切削流并延長刀具壽命，這意味著外圓車削時可采用高的切削參數。通過上壓式(剛性夾緊)、杠桿式和楔塊式三種夾緊方式(見圖2)的使用效果發現：由于切削熱的影響，楔塊式的圓柱銷受熱產生變形使刀片和刀墊不能很好的貼緊。同樣，杠桿式的夾緊力矩不容易控制，過大或者過小也會導致刀片和刀墊不能很好地貼緊，這兩種夾緊方式在高速進給時都易產生崩刃。上壓式刀柄夾緊力大、夾緊可靠且定位面積大載荷分散抗沖擊性強，因此上壓式刀柄是重切削加工工序的首選。

　　圖2 刀柄的選擇

　　結語

　　我們進行的高速干式切削試驗在多個生產線上通過了批量檢驗，其軸頸尺寸、粗糙度及跳動量均符合工藝要求，并且機床和刀具的合理選擇達到了較高的性價比。實際運行也證明，通過在曲軸精車主軸工序采用高速干式切削技術，我公司鍛鋼曲軸的產能由原來的7.5支/h提升為10.6支/h，實現了產能提升、節約成本的目的。(