当密齿面铣刀在柴油机箱体类零件加工中的应用

密齿面铣刀在柴油机箱体类零件加工中的应用

核心提示：为提高柴油机气缸体、气缸盖、离合器壳等箱体类零件的铣削效率，对柴油机生产线的所有粗铣、半精铣工序的机床、刀具进行改造，采用了先进的硬质合金可转位密齿面铣刀，普遍提高了加工线铣削效率30%以上，确保了生产线产量的不断提升，满足了市场对生产能力不断提升的需求，产生了显著的经济效益，为此，对密齿面铣刀在柴油机箱体类零件加工中应用作具体的研究和论述。

关键词：柴油机生产线;气缸体零件;铣削加工

由于市场需求的不断提升，柴油机生产线能力不断在进行填平补齐，由年产2.4万台，增至3.8万台，再到7万台，期间虽然进行了大规模的技术改造，但新增设备大多数是钻镗类组合机床，由于生产线场地与空间所限，生产线的铣削设备无法新增，铣削设备的效率与能力已远远满足不了市场需求，成为关键瓶颈工序，因此，对现有铣削设备进行改造，应用新工艺、新技术，提高生产线的铣削效率已刻不容缓。

1、密齿面铣刀应用的提出

对铣削工序的工艺系统进行具体的分析发现，制约铣削效率提高的主要原因是：硬质合金刀片强度、耐磨性不足，只能采用较低的切削进给速度。为此，在现有设备基础条件下，提高铣削效率的途径可能有：

(1)采用高强度、耐磨刀片

采用立方氮化硼等高强度、耐磨性好的刀片材质，可显著提高工件的铣削进给速度，但在同等刀片数量下，必须要求强大的切削功率以及机床强度，必要时还需要大流量冷却系统支持，在现状国产通用铣削设备不动基础上，设备功率与强度都不足，新增大流量冷却系统也困难，且国内诸如立方氮化硼等高强度、耐磨性好的刀片材质开发仍未成熟，国外刀具运行成本太高，因此，针对现状条件，采用高强度耐磨刀片仍没有现实基础。

(2)减少每齿进给量，提高进给速度

在铣削过程中，每片刀片所受的切削力与每齿进给量成正比关系，减少每齿进给量，可减少每齿所受的切削力，在刀片同等强度下，可提高工件铣削的进给速度，从而提高铣削效率，因此，减少每齿进给量是提高铣削效率的途径之一。而要减少每齿进给量有二种方法：提高主轴转速、增加参加切削的刀齿数。

1)提高主轴转速，减少每齿进给量。虽然提高主轴转速，可减少每齿进给量，从而可相应提高工件的进给速度，达到提高铣削效率的目的，但主轴转速提高，切削的线速度也提高，刀片产生的切削热也提高，当切削热超过刀片耐受范围时，刀片就会急剧磨损，在没有有效的刀片冷却条件下，按目前国产刀片材料现实，难于实现。

2)采用密齿刀盘，减少每齿进给量。采用密齿刀盘，参加切削的刀齿数增加，则每齿进给量可相应降低，在相同的铣削条件下，可相应提高工件的进给速度，从而达到提高铣削效率的目的，随着刀具结构的不断优化改进，国内硬质合金可转位密齿面铣刀盘已成熟，刀盘成本差别也不大。

综上所述，通过几种方案的评估对比，在生产线设备不作重大变更条件下，采用密齿面铣刀是有效提高铣削效率的最简单、可靠、同比运行成本可接的最佳方案。

2、密齿面铣刀盘在生产线的实际应用

对柴油机生产线上自动化系统减少了操作人员丈量技术的可变性所有铣削灰铸铁HT250的气缸体、气缸盖、离合器的粗、半精工序的盐城红旗单/双面组合铣床的铣刀盘全部更换为密齿面铣刀盘，直径500的铣刀盘，由原来的30片提高为60片;直径400的铣刀盘，由原来的24片提高为45片;直径315的铣刀盘，由原来的18片提高为36片，基本上增加了一倍，单纯从每齿进给量可降低一半来看，进给速度可提高一倍，则效率可提高一倍，但由于铣削过程受到复杂的机床、工装、表面粗糙度要求等诸多因素影响，难以达到全部更换的工序铣削效率都能提高一倍，但从实际应用效果看，最少都能达到提高生产效率30%以上，个别瓶颈工序设备更换为大功率高强刚性的强力铣削机床后，可以达到提高生产效率高于50%的目标。

密齿面铣刀盘在生产线的实际应用采用的铣削参数为：切削厚度2 mm——5 mm，单齿进给量0.05。0.15 mm/每齿，线速度100—125 m/min，必须特别注意：对特定的刀片材质，若线速度超越一个临界值，刀片的耐用度将大幅下降，因此，主轴转速及线速度与生产效率之间必须选好一个平衡点;更换密齿面铣刀盘后，进给速度普遍从160——200 mm/min，提高到250。315 mm/min，铣削效率提高30%以上。

3、密齿面铣刀盘在生产线应用的案例

铣刀盘齿数提升为原齿数的一倍，理论上，铣削效率可提高一倍，但由于受复杂的各种因素的影响，特别是在密齿面铣刀铣削过程中，虽然单齿进给量减少了，但同时参与铣削的刀齿数成倍增加，整个刀盘所受的切削力及切削热都在提高，因此，在实际应用中必须考虑如下问题：

(1)机床本身的电机功率及机床刚强度

由于同时参加铣削的刀齿数增加，切削力也在增加，所要求的机床功率、机床刚强度也要增强，因此，更换密齿面铣刀盘时，必须评估原生产线使用的设备状况，在确定工件进给速度时，必须考虑适当的动载及新刀片磨损后切削力上升等变化因素，否则，机床可能出现由于工件进给速度过高，而致机床工艺系统出现振动、工作台拖动无力、机床让刀、机床故障频繁等不利因素。

案例一：在生产线气缸体粗铣前后端面工序中，铣削厚度为3 mlTI——5 mm，原旧刀盘使用的进给速度为160 mm/min，机床铣削状态良好;更换密齿面铣刀后，先采用250 mm/min的进给速度，铣削效率可提高55%，但试切结果，机床振动严重，铣削效果不佳，后把进给速度降为200 mm/min，铣削效果良好，铣削效率提高30%.为了进一步提高生产效率，后来更换了一台强力铣削机床，机床主轴功率由7.5 kW提高到15 kW，机床的刚强度也加强，但工作台进给功率没162有提高，机床进给速度采用250 mm/min时，机床铣削平顺，铣削良好，生产效率提高55%，再把进给速度提高到315 mm/min时，铣削效率可提高95%，机床主轴铣削良好，但工作台时而出现爬行现象，加工状况不理想，说明机床主轴功率及机床刚强度都足够，但工作台进给功率不足，最后该工序进给速度确定为250 mm/min，生产效率只提高55%.

(2)工件铣削的有效面积

工件铣安稳性等都不如第1种传动系统削面积越大，同时参与铣削的刀片数增大，其切削力也相应增大，对不同的有效铣削面积，必须采用不同的工件进给速度，才能保证高的铣削效率，否则，机床也会出现振动，让刀等影响加工质量的问题。

案例二：气缸体粗铣左右侧面工序与粗铣前后端面工序，铣削宽度一样，但有效的铣削面积不同，左右侧面以塔子凸台等形成间断的铣削面，中间部位有很多面积是不用加工的，而前后端面基本上是实体，属大面积实体铣削，前后端面的有效铣削面积比左右侧面的铣削有效面积大二倍以上;在机床型号、刀盘结构大小、铣削深度都相同条件下，粗铣左右侧面的铣削进给速度可以达到315 mm/min，而粗铣前后端面的进给速度只能达到200 mm/min，因此，有效铣削面影响着铣削参数的选择。

(3)工装夹具的刚性

由于参与铣削的刀齿数多，大量的刀齿频繁地切人切出工件表面，产生很高的振动频率，如果工装夹具刚性不好，工装夹具的固有频率与铣削的振动频率相近，就会产生“共振”现象，因此，在密齿面铣刀盘应用时，必须在工装设计时注意提高工装夹具的整体刚强性。

案例三：在气缸盖粗铣底面工序中，共使用了二台相同的设备，但工装夹具不同，第一台设备的工装底座由四块25 mm厚铸铁用螺栓连接在一体，夹具中空，整个夹具刚性不是很好，在更换使用400 mm密齿面铣刀铣削时，产生非常明显的振动，为了消除振动，先后试进行了顺铣、逆铣、偏心铣、减少铣削厚度等措施，但振动仍不能消除，最后采取在密齿面铣刀上隔齿去掉一个刀片的方法，才消除了振动，但新更换的密齿面铣刀对提高生产效率没产生效果;而在第二台设备上，使用的工装夹具是整体浇注的铸铁底座，新更换使用了400 mm密齿面铣刀，进给速度并提高30%情况下，铣削平顺良好，生产效率能提高30%;因此，在采用密齿面铣刀时，必须评估考虑工装夹具的刚性等状况。

(4)被加工产品的结构特性

柴油机气缸体、气缸盖结构非常复杂，产品的整体刚强性也显著影响铣削的效果，必须评估产品结构特点，选择不同的铣削刀盘与铣削参数。案例四：在气缸体精铣底面工序中，曾换用带修光刀的密齿面铣刀盘进行铣削，即使在相同铣削进给速度下，新刀盘铣削后的表面粗糙度比旧刀盘差，不能稳定达标产品图纸要求，主要原因有二：一是，气缸体底面二边是龙门结构，有100 mm长度的悬空，被铣削部位刚性较差，当更密集的刀齿参加切削后，产生更大的振动频率，遇上刚性较差的被切削部位时，产生严重的振动，致加工其环保效益10分显著后表面粗糙度下降。

二是，密齿面铣刀盘压紧可转位刀片采用的是簧拉紧结构，此结构适于布置更密集的刀片，且更刀片更容易，但该结构致使可转位刀片为正2度前角，正前角铣削的切削力更大，对刚性差的工件而言，更容易引起振动，从而影响加工后的表面粗糙度。而旧刀盘采用的是楔块螺钉压紧结构，致刀齿布得较疏，且更换可转位刀片也不方便，但该结构能使

刀片形成负3度前角，铣削更锋利，因此铣削力更低，铣削的振动低，铣削平顺。因此，密齿面铣刀盘在些特定条件下并不适用。

4、结束语

随着刀具材料与刀具结构的不断发展，在生产线空间与设备限制条件下，可应用更先进的铣削刀，能有效提升其生产效率，本文所述的柴油机气缸、气缸盖、离合器壳生产线的保温塑料建材在美国、日本等国建筑上的利用已10分成熟所有粗、半精铣刀盘换为密齿面铣刀盘后，生产效率普遍可提高30%以上。更先进的刀具的应用，可能需要更高设备功率或刚强度，或大流量冷却等技术的支持，需要做好评估，才能有效发挥新技术新工艺的效能。