汽车锻造前轴加工工艺方案的制定和设备工装的选型或设计（续1）
汽车锻造前轴加工工艺方案的制定和设备工装的选型或设计——《我的机械技术体会之一二三》小结
作者：亮剑
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第二部分 制定前轴加工工工方案的各种加工方法调查
现代切削加工技术发展非常迅速,特别表现在刀具材料、刀具涂层、高速切削、硬切削、干切削等方面。结合现代数控技术理论和系统的发展成果,连续不断出现大幅提高效率、降低成本、环保绿色的制造技术,切削加工已经进入了全新的高速时代。作为机械工程（工艺）师,必须跟踪这些先进技术;作为大型生产线的工艺设计,必须合理使用这些先进技术。
据专家统计,在机械加工工作总量中,钻孔占20-25%,铣面还要高一些。汽车前轴是锻钢调质件比较典型的面和孔的切削加工。所以我在此专门列出这一部分:各种加工方法调查,用以说明这个问题。列举汽车前轴加工的例子,也是为了简化说明。
1 制定工艺方案必须首先注意的几个问题
企业都是以赢利为目的的,企业的任何商务投资活动都要追求以最少的投入获取最大的产出,(当然企业的公益活动不在此列)。所以,大型加工线的投资首先应该注意以下对成本影响巨大的几个事项:
1.1 重视刀具选择
工欲善其事,必先利其器。现代加工中刀具费用只占制造成本的3～4%，但它对总制造成本的影响却要大得多。加工效率提高20%加工成本可降低15%，而刀具价格下降20%加工成本只能降低0.6%，刀具寿命延长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产成本的有效手段。当加工方法确定后,由刀具的选择决定了切削用量,进而决定了生产效率;由刀具的选择决定了切削力和功率,进而才能确定设备及其配置以及夹具的选择或设计。因此一把价值不高的刀具会影响价一台价值昂贵的设备选择,或者影响整个加工线的工艺方案,进而影响企业的制造成本。而一般的专机厂好象对刀具问题很不重视,表示极大的不理解。
重视刀具技术的另一个重要内容是刀具应用技术。而刀具应用也是一门技术,很多的把握性需要切削理论的支撑和对刀具供应市场的了解。特别是在大型专用加工线工艺方案制定方面,往往没有试验摸索的时间,只允许成功。切削理论和刀具技术的进步快到每2-3年就会有全新技术的刀具面世,已经到了令人眼花暸乱的地步。及时掌握和更新先进的切削技术和刀具成为刀具应用的关键。
部分国家或行业的制造成本饼图如下图1、2。http://www.cmiw.cn/attachments/2007/12/44890_200712050703021.jpg
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1.2 设备利用率
一般的机槭企业往往过分注重降低人工成本,而忽略了他所拥有的占大头的设备资产,不去注意设备利用率。其实设备大幅提高利用率也是效益，而一般企业设备只有不足30%的时间在为公司创造效益。以一台50万元设备分析,如果纯切削时间由25%提高到50%,那么它的产出就提高了1倍,相关制造费用也随之下降甚至幅度更大。
落实到大型加工线的工艺设计,就是节拍的均衡和效率问题,即如何设计可以在工序之间节拍均衡,使各台流水作业的设备不闲置;如何设计可以把辅助时间与机加工时间重叠,使机床切削时间延长;如何设计可以减少机床调整时间,保证加工合格率和减少非切削时间;如何设计可以预先检测到刀具磨损(破损)和设备故障。这一切归纳起来就是如何设计才能提高设备利用率,做到这一点就做到了最佳投入产出的设计。
1.3 现有技术的配套和提高
制定大型加工线的工艺方案还要涉及到先进技术的应用和落实问题,即使用企业的总体技术水平以及总体技术水平的提高问题。不能因为现有技术水平不高而不进步,更不能引进先进技术设备而缺乏配套措施如技术培训、相关人才储备、良好的机床配套辅具等。比如企业中很常见的一种现象是买了一台加工中心,因为没有相关人才和技术导致几年没有很好的利用,或者舍不得花钱配需要的"好鞍"而在低效运行。
2 汽车前轴的加工内容
从例图可以看出:前轴加工没有几道工序;加工精度又远非发动机零件可比。但是,前轴加工有其特点和典型性:零件大而细长且贵重;材质中硬略粘;还有几处机加工中的难点。对于产品设计中的加工精度设计,其中包含了很多设计服从于工艺水平和成本控制的无奈。
2.1 平面加工
有两处加工平面:两个钢板弹簧座平面和两端主销孔上下端面,这六个面相互有位置要求。此处的平面加工方法显然应该采用硬质合金端面铣刀铣削。
2.1.1 两个钢板弹簧座平面
按照锻造拔模斜度7度计算,个别重型前轴分模高点加工余量已经接近18mm。根据加工的先面后孔原则,此时只能以毛坯定位夹紧。一次切除18mm余量显然是困难的。若一次装夹下进行粗精铣,会达不到预期效果(1是没有切削产生的内应力的自释放时间,2是二次夹紧如何合理实现有一定难度),根据图纸要求,增加精铣又会增加不必要的工艺成本。因此这算是一个工艺难点。
2.1.2 两端主销孔上下端面
零件细长,加工面与钢板弹簧座平面有位置要求使得该处加工余量不得不留的大一点。一般一端的两个面合计加工余量12mm以上,分配到一面可能达到10mm以上,而且不确定。
2.2 孔加工
按加工精度分有普遍的光孔(钢板弹簧座平面上10孔);普遍的沉孔;中等精度的光孔(锁销孔);高精度的光孔等(7级精度的主销孔)。
2.2.1 钢板弹簧座平面上10孔
这10个孔要求不高,主要是效率问题和钻削切出于锻造斜面,可能造成钻头损坏的问题。另外需要选择其中的两个孔作为一面两销的定位销孔。
2.2.2 两个主销孔
这是前轴最重要的加工部位,其关联因素也比较多:有其本身的尺寸和形状公差及其表面粗糙度;有两个孔的位置要求;有壁厚差要求;还有端面与其垂直度的要求。这些技术要求相互关联交叉影响,如曾有某厂加工孔园度超差,后找出原因是壁厚差造成的。总之主销孔尺寸比较大,精度要求高,毛坯无底孔,高效稳定实现工序Cp值>1.33是比较困难的。
2.2.3 锁销孔
锁销孔是锁止主销用的,装配一个带有斜面的锁销。因此,该孔必须与主销孔交叉,并且对主销孔有比较严格的位置要求。交叉孔的加工难度是很大的。
3 国内常用加工方法
3.1 铣面
3.1.1 前苏联的前轴六面铣专机一次铣成方案。一汽底盘、重汽桥箱等厂家仍在使用。
3.1.2 采用标准铣刀盘的板簧面和拳部面分别加工的组合铣床方案。板簧面组合铣床有立式单轴和双轴龙门式。拳部上下面组合铣床有卧式对铣和立式串两面刃铣刀式。由于是采用标准铣刀盘,当遇到加工余量过大的工件时,不得不人工调刀多次铣削。
3.2 孔加工
3.2.1 普通的10孔和沉孔的加工一般有采用多轴钻削(锪削)的专机方案和摇臂钻床配专用钻模夹具的通机方案这两种方案。前者效率高但存在多品种加工难兼容的缺陷;后者单孔加工效率低但是产品换型快。个别企业有采用立加+U钻+专用夹具的方案(如一汽底盘新线),但这个方案在技术经济上并不显示出多大优势。
3.2.2 主销孔加工过去通常采用普通刀具钻扩铰工艺,设备则采用通用立钻或摇臂钻床。其中比较好的是一汽底盘,最终工序采用拉削,而且其垂直面进行精锪,这在当时属于最先进的工艺。现在在一般企业底孔加工几乎都采用机夹浅孔钻,再进行粗精镗孔。对其垂直面精加工有两种工艺:一是采用镗车头的镗孔车端面工艺;一是采用精铣精镗的复合工艺。
3.2.3 锁销孔的加工
锁销孔与主销孔交叉,属于工艺难点,一般宜于先大孔后小孔。最传统且可靠的加工方法是在已加工的主销孔中加塞子后用通用钻床钻扩锁销孔。后某专机厂开发三工位钻-铣通-铰锁销孔专机方案及其升级版带刀库的加工中心型专机方案,采用普通刀具加工。从效率和工艺成本分析反不如传统加塞子方案。
4 目前铣削的发展状况和平面铣削加工的选择要点
4.1 平面铣削技术的发展状况
4.1.1 高速铣削简介
高速切削是基于以下切削理论的:自年开始,科学家进行了大量试验研究,得出的理论是当切削速度超过一定界限,刀具磨损反而降低。随着高速机床的产生,被实践所证实,并迅速在航空航天、汽车、模具加工等行业推广应用。见下图。随着切削技术、刀具材料和机床技术的发展,铣削技术正在走向高速高效化。http://www.cmiw.cn/attachments/2007/12/44890_200712050723271.gif
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但是,采用高速铣削,机床、刀柄、刀具系统平衡、刀片选择、刀片夹固方式等一切都是非传统的了。比如刀具系统平衡量一般要求要达到,最高转速欧美国家都有标准的明确规定。
4.1.2 铣削工艺范围扩大
结合设备及其数控技术,铣削功能正在扩展(比如插补铣削和螺纹铣削),扩展成为铣凸台、曲面、镗孔等各种空间型面加工。图示就是比较典型的用于园周插铣的高速铣刀和圆周铣削工艺用于多种不同的加工任务示意。http://www.cmiw.cn/attachments/2007/12/44890_200712050726401.gif
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4.2 平面铣削加工的选择要点
4.2.1 平面铣削选择的基本概念
铣削加工,工艺系统刚性尤为重要,因为铣削本身就是断续切削,是振动源。因此,对于机床主轴和进给系统的刚性,夹具夹紧力大小及方向、特别是夹紧的自锁可靠性,以及刀盘刀片装夹结构和精度要求较高。
实现这种高刚性并不是很容易的事情。至少我发现很多设备及刀具厂,特别是其中的工程师,对零部件的表面粗糙度几乎就没有特别的意识,对形状误差的认识也很泛泛。
4.2.2 机夹端铣刀的一般结构形式
见下图,它包括刀片、夹紧件、刀体三部分。后发展有模块式端铣刀,将装刀片部分设计成适应切削各种材料的不同刀夹。在某些场合(如)有做成刀片平装式,如下图。
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4.2.3 机夹端铣刀的基本参数及其对切削的影响
端铣刀的主要切削角度及其对切削的影响见下图及说明。http://www.cmiw.cn/attachments/2007/12/44890_200712050734381.jpg
其中:
g0——前角：前面与基面间的夹角，在主剖面中测量。作用：决定切削刃的锋利程度和强度。增大前角可减小切屑变形，减小切削力和切削功率。
ls——刃倾角：主切削刃与基面间的夹角，在切削平面中测量。作用：控制切屑流向，影响切削刃强度和切削分力的大小。
gp——背前角(轴向前角)：前面与基面间的夹角，在背平面中测量。作用：决定刀齿的强度和切削力的大小。
gf——侧前角(径向前角)：前面与基面间的夹角，在假定工作平面中测量。作用：决定刀齿的强度和切削力的大小。
kr——主偏角：主切削平面与假定工作平面间的夹角，在基面中测量。作用：影响刀尖部分的强度、切削分力之间的比例、工件表面的形状和切削刃参加切削的长度。
kr'——副偏角：副切削平面与假定工作平面间的夹角，作用：在基面中测量。减小副切削刃、副后面与工件已加工表面的摩擦，影响表面粗糙度。
a0——后角：后面与切削平面间的夹角，在正交平面中测量。作用：减小后面与工作表面间的摩擦，并与前角决定切削刃的锋利和强度。
4.2.4 机夹端铣刀的选择
根据应用场合,铣刀盘一般分为粗齿、中齿、密齿。一般粗加工追求切削效率,宜于选择粗齿铣刀;精加工需要保证加工精度和表面粗糙度,宜于选择密齿铣刀,现代的精铣刀盘一般加1片修光刃。
1）通常对称铣削的铣刀直径D=(1.1～1.6)ae ae=铣削工件表面宽度。刀具所需功率应在机床额定功率范围之内，
2）铣刀几何参数的选择：
前角的选择
正确选择可转位面铣刀的轴向前角gp十分重要：选用较大gp时，切削刃锋利，切削轻快，消耗功率少，但刀刃强度低；选用较小gp时，切削刃强度增加，但切削力也增大，消耗功率增多。可转位面铣刀轴向前角的选择范围较大，需根据实际加工情况合理选择。切削塑性材料时，宜选用较大前角；切削脆性材料时，宜选用较小前角；切削难加工材料时，则需综合考虑。刀齿负荷较大时，宜选用较小前角；反之，则可选用较大前角。
可转位面铣刀径向前角gf的选择原则与轴向前角类似，但由于铣刀结构所限，gf的变化范围不大。此外，径向前角gf还直接影响排屑方向；gf较大时，使切屑离开工件；gf较小时，使切屑压向工件。一般情况下，gf = 0 的面铣刀应用范围较广，但选用时仍需结合gp综合考虑。
主偏角的选择
可转位面铣刀的主偏角主要影响进给力和垂直进给力。45°主偏角适用于加工铸铁或在铣镗床主轴悬伸较长条件下加工。采用45°主偏角时进给力的径向分力与轴向分力大致相等，切削力分布在刀刃较长的部分，具有很好的抗振性；60°主偏角适用于铣镗床上的粗加工，可较大幅度地减小进给力，显著改善抗振性；75°主偏角是最常用的主偏角，由于其刀刃利用性较好，因此具有较好的加工经济性。
3）可转位面铣刀刀片的选择
铣削刀片的切削刃长可根据最大背吃刀量来选择，通常最大背吃刀量可为切削刃长的2/3～3/4；当加工余量不足切削刃长的1/2 时，则应更换小规格刀片。
可转位面铣刀刀片材质的选择也十分重要，应根据被加工件的材质选择相应的刀片材质。选用涂层牌号的刀片可得到较好的切削效果，大幅度延长刀片使用寿命。
详细不一一说明了，可以查阅相关资料和样本。
5 钻孔加工技术的发展状况和孔加工刀具的选择要点
（待续）
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