钻斜油孔工艺优化和工序缩减方案

2022-01-01霍睿郝鹏尚剑平

金属加工(冷加工) 2022年12期

霍睿，郝鹏，尚剑平

陕西法士特齿轮有限责任公司陕西宝鸡 722409

1 序言

加装缓速器的客车变速器中，“蝴蝶状”后轴承盖（见图1）作为连接变速器和缓速器的重要组成部分，需要钻20倍径斜油孔，需要设计5°角度专用斜夹具（见图2），将需要钻的油孔位置平行于机床Z轴，使用啄钻进行加工，加工效率较低，平均加工一个油孔需要4min。

图1 后轴承盖

图2 专用斜夹具

原有生产线使用的是立式加工中心和卧式加工中心，由于油孔的存在，导致原有“一正一反”的立式加工工序需要增加一道钻油孔工序以及一套斜夹具，因此增加了一台加工设备的投入，多一次零件装夹。

针对以上问题，通过工艺试验，引进角度头加工油孔，并对原有刀具进行优化，从而减少设备的投入，提高加工效率。

2 角度头的使用

想要减少后轴承盖生产线加工单元的投入，则必须减少工序数量，使两工序夹具装夹在一个立式加工工作台上，优化后的工序如图3所示，单独存在的钻油孔工序就成为工序优化、缩短的主要突破口。然而由于立式加工中心不像卧式加工中心甚至多轴加工中心那样，可以随意变换角度，所以立式加工中心一般会使用专用的夹具，使想要加工的斜油孔平行或者垂直于立式加工中心的Z轴[1]。

图3 优化后的工序

由于后轴承盖所有油孔的角度均为5°，是一个统一的角度，因此成为工序优化、角度头（见图4）使用的重要前提之一。

图4 角度头

根据前期设计的液压夹具对于零件定位的方向，确定5°角度在立式加工中心的Y轴加工，通过Z轴和Y轴联动加工。设计专用的角度头定位块（见图5），将角度头的5°限定在Y轴方向。在设计角度头结构时，还要考虑机床换刀和刀具在刀库中的摆放姿态，尽量避免大刀具设置和撞刀的风险。

图5 角度头定位块

注意事项：要考虑刀具在机床内的装夹方向和零件的加工方向，可以通过改变夹具在机床内部的放置方向，调整刀具在机床刀架上的位置和方向，从而避免大刀具设置，减小刀库使用时数量不足的压力。角度头装夹如图6所示。

图6 角度头装夹

3 刀具优化

生产线原有刀具方案为使用20倍径的高速钢刀具，采用啄钻形式加工，进给速度低，抬刀循环次数较多（25次），且刀具耐磨性差，刀具经常因为零件缺陷和刀具磨损等原因而断裂，导致零件及刀具报废，增加加工成本。

为了提高效率，进一步优化角度头的使用效果，试验采用一款类似于原工艺刀具的进口合金刀具（118°钻尖角钻头，见图7），加工效率明显提高。但是由于进口钻头本身的刚性与硬度极高，需要机床的精度较高，同时也需要大的中心出水压力（3MPa以上）配合排屑，而车间的机床中心出水压力均＜1.5MPa，因此经常会出现刀具断裂现象。进口刀具采购成本较高，采购周期较长，发生断裂时造成的损失也比较大，车间生产成本较高。

图7 118°钻尖角钻头

查看生产线刀具使用情况，发现刀具磨损的主要部位为刀尖，刀尖磨损较快，导致换刀频繁甚至断刀。118°钻尖角钻头受到的径向钻削力较大，轴向钻削力较小，使得钻头可以有较高的进给速度[2]；用于延展性较高的材料比如铝合金加工，性价比较好。140°钻尖角钻头（见图8）受力情况如图9所示，受到的径向钻削力较小，钻头的进给速度不宜过高，而加工此斜油孔特征的速度不是很高，因此首先试验了一款进口钻头，虽然刀具寿命和切削效率有明显的提高，但是易断刀，造成很大的成本浪费。

图8 140°钻尖角钻头

图9 钻头受力情况

考虑刀具性价比与制造周期，我公司与国产刀具厂家共同优化并制造了钻尖角为140°的20倍径合金钻头，用于QT500-7球磨铸铁斜孔加工，经过试验，加工效率为进口刀具的2/3，但是刀具成本仅为进口刀具的1/6。

各种刀具的性能及存在的问题对比见表1。

表1 各种刀具的性能及存在的问题对比

4 优化前后工艺性能比较

工艺优化后的加工实况如图10所示。经连续加工验证，新工艺方案使用角度头和140°国产20倍径合金内冷钻头，加工稳定，相比原工艺方案，钻油孔加工节拍由4.5min缩短至1min，零件加工效率为优化前的4倍多，工序数由原来的3序缩减为2序，机床使用数量由原来的2台立式加工中心减少为1台立式加工中心，刀具寿命由一把刀具加工50件工件提高到了180件，同时解决了工序加工时间不匹配导致的设备资源浪费问题[3]。