锚夹片以车代磨工艺及其参数的研究

陈艺玲 卢剑峰

摘 要： 锚夹片的以车代磨工艺开发，一经研究成功即大量推广应用于预应力行业，节约了大量的生产成本，产生了非常显著的社会经济效益。本文通过对其理论分析进行总结，希望对今后有这方面研究应用的技术人员有个参考借鉴作用。

关键词： 锚夹片；以车代磨

0、引言

国内锚夹片的外锥粗糙度要求较高，一般为Ra1.6。2007年以前，国内的锚夹片都是使用磨床进行外锥的磨削加工，作为行业龙头的柳州欧维姆公司，早在90年代就开始研究锚夹片的以车代磨工艺，经过大量的试验，终于2007年成功开发了锚夹片的以车代磨工艺及装备。

锚夹片的以车代磨工艺，通过使用高速精车代替磨削，工序集成度高，以夹片内孔和大端端面定位，实现了内外表面的一次装夹加工，夹片的尺寸精度高，外观美观，一致性好，而且加工过程采用停机装卸料，安全性比磨削好，试验性能符合国家及行业相关规范要求，经过近10年的逐步应用验证，质量稳定可靠，已经替代了磨削夹片，国内绝大部分预应力企业都更换设备使用了该工艺，节约了大量的生产成本，产生了非常显著的社会经济效益。

要保证质量又要兼顾经济性，该工艺最关键的是加工参数，之前的研究很多就是失败于此，本文对锚夹片以车代磨参数的理论计算进行分析总结，以期为有需要进行以车代磨工艺改进的技术人员提供参考借鉴。

1、工艺简介

多年来，锚夹片内外锥加工工艺路线一直如下：

……→车外锥→磨外锥→车倒角→攻丝→……

该工艺路线工序多，设备、人员、占地投入都较大，成本高，且存在安全隐患：车床使用不停车装夹夹片、磨外锥时夹片容易飞出打伤工人。

在国外，锚夹片以车代磨工艺早有应用，而国内要使用该工艺的前提是要符合相关标准，因此必须要研究符合使用条件的设备、工装及工艺参数。

使用以车代磨后的工艺路线如下：……→车（以车代磨）→攻丝→……

2、刀具的选择及加工参数的确定

涂层硬质合金在高温时，刀面上能形成氧化保护膜，它能减少与加工表面的摩擦系数，有较高的抗粘结能力，能有效的抑制积屑瘤和鳞刺，而且能满足较高切削速度时的高寿命要求，所以锚夹片以车代磨首次试刀时选用了硬度较高、耐磨的涂层刀片。

根据分析，夹片表面粗糙度达到设计要求为Ra1.6，选用了型号为CNMG160408的修光刃刀片，刀具的参数为Rε=0.8mm，Kr=95°，Kr=5°。该刀片为三角形刀片，可两面加工，有 6个刀尖可用，经济性较好。

在普通CJK6140数控车床的最高转速为1600r/min下，选用150mm/min的进给速度，进给量为0.094mm/r，切削深度hD=0.5mm，计算有：

f≤2RεsinKr′=0.139mm/r

Rmax≈f2/8Rε=0.0942/6.4=1.37μm

该刀片具有负前角的修光刃，所以实际车出的Rmax经测量在0.6～1.0之间。而且在1600 r/min的转速下，夹片锥面的切削速度范围为1.5m/s1.6m/s ）。

因此，要保证粗糙度合图，夹片小端的Vc应大于1.6m/s，则主轴的转速最少要达到Vc/πR=1698r/min，但此转速仅能满足150 mm/min的进给速度，加工效率太低，刀片的经济性也差。

按夹片粗车的进给速度700 mm/min计算，在选用合金涂层刀具最佳进给量0.15mm/r的情况下，主轴转速需要4667 r/min。为此，通过可无级调速、最高转速为8000r/min电主轴进行加工验证，使用刀尖圆弧半径为1.2的刀片，在4667r/min的转速下，以700 mm/min的进给速度加工。我们发现，此参数虽可满足夹片表面质量要求，但刀具寿命偏短，不符合批量生產的经济性要求。为此，通过优化参数，在进给速度降到500mm/min，主轴转速降到3000～3500 r/min后，获得了满足夹片以车代磨要求的较经济的参数，该参数也与理论基本一致。

3、车床参数的确定

（1）外圆刀切削力计算

夹片材料：20CrMnTi 主轴转速：3000～3500rpm 进给：500mm/min

刀具：CNMG160412，前角Yo=-6°，主偏角Kr=95°，

刃倾角λs=-6°，倒棱宽by1=0，倒棱角度Yo1=0°， VB=0.4

切削用量：ap=0.5mm，f=0.15mm/r，Vc=5m/s

Kc=1962N/mm2——Kc为单位切削力，根据材料和材料硬度从相关手册中选取

Kfc=Krfc×Kvcfc×Krfc×Kby1fc×Kvbfc

=1.28×0.95×1.11×1×1.2

=1.62

Kfc为实际切削条件和试验条件不同时的总修正系数

Fc=Kc×ap×f×Kfc=1962×0.5×0.15×1.62=238N——Fc为切削力

（2）槽刀切削力计算

主轴转速：1500rpm 进给：350mm/min 槽刀：前角Yo=+15°，刃倾角λs=0°，倒棱宽by1=0，倒棱角度Yo1=0°， VB=0.4

切削用量：ap=2mm，f=0.23mm/r，Vc=2.2m/s

Kc=1962N/mm2——Kc为单位切削力，根据材料和材料硬度从相关手册中选取。

Kfc=Krfc×Kvcfc×Krfc×Kby1fc×Kvbfc

=1.03×0.98×1×1×1

=1.0094

Kfc为实际切削条件和试验条件不同时的总修正系数

Fc=Kc×ap×f×Kfc=1962×2×0.23×1.0094=911N——Fc为切削力

（3）主轴功率计算

最大切削力为切槽时的切削力911N，故：

Pc=Fc×Vc×10-3=911×2.2×0.001=2kW——Pc为切削功率

Pe=Pc/η=2/0.8=2.5kW——Pe为电机功率

考虑到系统对高刚性的需求，以及满足不同类型锚夹片的加工需求，选用功率为3kW的主轴电机足够。

（4）车床选择

①由于夹片是热处理前的以车代磨加工，不同于热处理后硬车削对车床高刚性和高精度的要求，普通精密级车床就可以满足加工要求，高精度数控车床动辄几十万元一台的售价显然不符合经济性要求。

②夹片尺寸小，最大尺寸为φ30，小型的数控车床即可满足使用要求。

③根据理论计算及试制结果，以车代磨的工作转速为3000rpm～3500rpm时的经济性最好，故所选车床最高转速4000rpm左右即可。

④加工外锥、槽、内锥需要3把刀，考虑到排刀架比回转刀架效率要高很多，故选用排刀架。

4、结论

锚夹片的以车代磨工艺开发，从最初使用价值几十万的高精度车床，上万转速的研究开始，到最终10万元左右的小型数控车床，3000rpm左右的转速，虽然走了一些弯路，但一经研究成功即大量推广应用于预应力行业，节约了大量的生产成本，产生了非常显著的社会经济效益。

本文通过对其理论分析进行总结，希望对今后有这方面研究应用的技术人员有个参考借鉴作用。

参考文献

[1]《金属切削实用刀具技术》太原市金属切削协会编；机械工业出版社出版.