组合刀具提高立式车床大平面加工效率

1 问题的提出

    目前，国内ZL40、ZL50装载机大多采用行星式变速器，其箱体和双涡轮液力变矩器壳体有一较大的结合面，如图1所示。该平面作为箱体加工工序基准时，加工余量大，表面粗糙度、形位公差要求高，且面积较大（750×590mm），如何在保证加工精度的基础上提高加工效率、降低加工成本是工程机械行业亟待解决的难题之一。

图1 变速器箱体结构简图

2 原加工工艺

    各制造厂对该平面流行的加工工艺是使用立式车床。首先在划线工序照顾箱体各处余量，划出该平面加工线；然后在立式车床（C5116A）上分粗、精车两步切削，第一次切削深度为10-12mm，留余量1mm 左右；第二次切削至尺寸，保证该平面的表面粗糙度和形位公差。

该加工方法存在以下缺陷：

a. 加工精度低。由于仅仅采用两次切削，变形大，精度难以保证。

b. 加工效率低。由于首次切削深度大，切削阻力相应较大，进给量小，立式车床工作台转速低，且需要两次切削，致使加工效率较低，一个班次的加工能力仅为 件。

c. 装夹困难。由于是断续切削，冲击与振动较大，加工过程中零件容易松脱，危险性大。

3 组合刀具

1) 结构原理

    我们转换思路，设计了一套方便易用的组合刀具，如图2所示。主要由粗车刀1、半精车刀2（兼作副刀架）、精车刀3、对刀块4、主刀架5（即立式车床的方刀架）和固定刀具的螺钉6、螺栓7组成。使用时，先放置对刀块4，在主刀架5上用两个螺栓7固定半精车刀2，然后在主刀架5上用两个螺栓7固定粗车刀1，两刀具高度差为%&mm；精车刀( 则用两个螺钉) 固定在副刀架!（即半精车刀）上，与半精车刀高度差为1.5mm。该组合刀具整体和机床主轴连接后，立式车床工作台旋转，刀具进给，一次工作行程可完成粗车、半精车、精车三道工序。与原加工工艺相比，该组合刀具有如下优点：

图2 组合刀具简图

a. 把原工艺首次切削深度10-12mm分解为粗车6-8mm，半精车4mm，精车由1mm调整为1.5mm，降低了切削力，提高了工件装夹的可靠性及加工精度。

b. 切削总次数由两次降低为一次，提高了加工效率。

c. 切削深度的合理分配可提高机床工作台的转速。经实践，我们把转速由23r/min提高到40r/min，这样既可以避免粗车、精车使用同一转速带来的表面粗糙度不符合图纸要求的问题，也可以提高加工效率。

d. 使用该方法后，一个班次的最大加工能力由6-8件提高到10-15件。

2) 设计和使用该组合刀具时应注意的问题

a. 由于箱体材料为灰铸铁HT200-400，且加工时为断续切削，因此宜选择抗弯强度高、耐冲击性好的钨钴类硬质合金刀具材料，如YG8A（粗车刀）、YG6（精车刀）等。

b. 粗车刀1、半精车刀2、精车刀3三者之间的距离应适当选取，过小不利于排屑且会加大切削力，过大会使主刀架和副刀架固定不稳。经验数值为间隔35-40mm。

c. 三把刀具应做成分体式，否则刀具刃磨困难，刀具几何参数得不到保证。

3) 粗车刀具相关几何参数的选择

a. 为加强切削刃的强度，减少主后面的摩擦与磨损，后角ao可选为10-12°（图3）；

图3 粗车刀具几何参数

b. 为及时断屑，不影响半精车刀切削，前面上应磨出断屑槽，槽底呈圆弧形，可由多段圆弧组成。沿主切削刃方向，断屑槽宽度逐渐减小，当切屑流过时可使其卷曲乃至折断；断屑槽应尽可能靠近主切削刃，仅留出很狭窄的倒棱即可，以便更可靠地卷屑和断屑，这一点是组合刀具应用成败的关键，应引起特别注意。

c. 使用圆弧槽形断屑槽可使刀具获得较大的前角（ a_o=13-20°），而不致过于消弱主切削刃。其它几何参数的参考值如下：W=3-6mm；R_n=2-4mm；b_gmin=0.3-0.5mm（刀尖部位），主偏角K_r=70-75°。

4) 精车刀具的修光刃

   为进一步提高加工平面的表面质量，如图4所示，刃磨时，在精车刀具刀尖部位应修磨出三段直线（或圆弧），各参数的参考值如下：副偏角K_r'=0°，修光刃长度b_r=2-3mm，主偏角K_r=55°。这样选取几何参数后，被加工面的表面粗糙度能得到显著改善。

图4 精车刀具的修光刃

4 结论

    近年来，为提高加工工效，某些工程机械制造厂曾尝试改用龙门铣床代替立式车床加工变速器箱体该表面，但该种方法需特制大铣刀盘（直径为f650mm），且已加工平面的表面质量不够稳定，加工工艺成本较立式车床有所提高。而该组合刀具结构简单，制造方便，加工效率高，经实践检验，加工精度完全符合图纸要求，且提高了立式车床的利用率，值得在行星式变速器箱体、双涡轮液力变矩器壳体以及其它类似大平面的加工中推广使用。