凸轮轴切削刀具的优化

王海棠

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

凸轮轴切削刀具的优化

王海棠

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

介绍总结了棒料凸轮轴的材料由合金结构钢（20Cr）变更为难加工的较高含锰量的优质碳素结构钢（50Mn）后，从分析材料特性入手，结合生产实际情况，通过改变切削参数、加工工艺、对比试验以及结合刀具涂层技术等方法，实现了对生产线的刀具优化并提高了生产效率降低刀具成本。

凸轮轴材料加工工艺刀具切削参数优化

1 前言

切削加工作为制造技术的主要基础工艺，随着制造技术的发展，在20世纪末取得了很大的进步，进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工方法，提供成套技术为特征的发展新阶段。先进机加工生产工艺的出现，往往使机加工过程更简捷，加工效率更高，其要求刀具的精度、寿命更高、结构也更复杂。

切削刀具的切削性能对提高机械加工效率和被加工产品的质量起着非常大的作用，切削刀具材料的好坏，对切削性能又起着关键作用[1]。切削刀具的性能已成为零部件生产线提高加工工艺技术水平、生产效率、制造精度和降低成本的重要保证。

2 凸轮轴材料特性比较

凸轮轴原使用20Cr，需渗碳，热处理时间长，成本高，是生产中的一大瓶颈口，后更改为50Mn。图1为凸轮轴的生产工艺流程。

20Cr属于合金结构钢，含碳量0.18%~0.24%，钢材退火或高温回火供应状态下布氏硬度HB不大于179，抗拉强度835 MPa，渗碳、淬火后硬度HRC不大于59。主要特点是：表面硬度高，心部强度较高，韧性好。而50Mn属于含锰量较高的优质碳素结构钢，含碳量0.5%左右，钢材退火或高温回火供应状态布氏硬度HB不大于217，抗拉强度635 MPa，淬火后硬度HRC可达59。主要特点：不适于渗碳，强度较高，塑性及韧性好，经调质后能获得良好的综合机械性能。

与20Cr相比，50Mn含碳量较高，强度好，不需作渗碳处理，加上韧性好，抗弯能力强。凸轮轴采用50Mn材料，可以省去渗碳工艺，提高了热处理效率，解决生产线中的一大瓶颈。但由于50Mn的材料特性，比较粘，容易粘刀，因此在加工上比20Cr相对难处理一些。

图1 凸轮轴工艺流程

3 刀具改进与切削参数优化

凸轮轴材料的变更，直接影响加工刀具产生变化。凸轮轴刀具的选型主要从高锰钢材料特性、凸轮轴工艺特点、机床性能、运用刀具开发新的切削工艺和加工方法、生产高效率、低加工成本等方面考虑。

3.1 铣两端面钻中心孔、套车外园（20#）

加工设备为YZJ758-0006铣钻专机，加工余量3.5mm，切削参数：n=250 r/m im，v=78.5m/m in。

此道工序原来使用YT14铣刀片，YT14是国产铣刀片，相当于ISO标准中的P20类。其特点为使用强度高，抗冲击性能和抗振动性能好，耐磨性及允许的切削速度高，适用加工钢、铸钢、铸铁、不锈钢等材料的精加工、半精加工。YT14在加工20Cr材料铣两端面时，每5片（100 mm的五齿铣刀盘）约加工80根凸轮轴；而加工50Mn时，则只能加工10根。现改为SPKN 1504EDTL JC5030及SPKN 1504EDTR JC5030（简写为JC5030），JC5030是日本黛杰公司（DIJET）的铣刀，相当于ISO的M 30类，经过TiALN涂层，有较好硬度、耐磨性，能适于加工碳素钢、合金钢等，该铣刀加工20Cr和50Mn的差异较小。表1为这2种铣刀片加工不同材料零件的比较。可见，加工20Cr凸轮轴时，JC5030铣刀片的优越性并不突出，而加工50Mn材料时，JC5030的性价比充分显现出来。

表1 YT14和JC5030铣刀片比较

3.2 粗车外圆（40#）

加工设备为CE7132仿型车床，加工余量为3 mm，切削深度为1.5 mm，切削参数：n=510 r/m in，v=104m/m in，S=0.20mm/r。

原刀具为YT15/4K1914E04，加工20Cr材料时，性能良好，但用于50Mn材料时，使用寿命大幅度缩短。这是因为YT15刀具为钨钴钛铌合金，相当于ISO标准的P30类，强度很高，抗冲击和抗振动性能好，不易崩刃，但耐磨性较差。原来使用的为四方形刀片，一开始将目标放在进口涂层刀片上。依据原来刀排型号，刀片型号对应于ISO标准刀片SCGM 190408L，然后在切削参数不变或提高转速的情况下分别对ISCAR、SANDVIK、SECO、TeaguTec、DIJET等几个品牌的产品进行试用，结果都不理想。加工出来的工件表面发紧（即工件表面不平滑，凹凸不平），可见涂层刀具的切削刃锋利性、韧性、抗崩刃性能均不及未涂层的刀具，对于有氧化外皮的粗加工、强力切削等均不适宜。

根据加工对象的材料特性，最终选择国产刀片YW1和YW2分别试验，YW2更为理想。第一，YW 2刀具为钨钴钛钽合金，相当于ISO标准的M20类，耐磨性优于YT15，强度也很高，能承受较大的冲击负荷，适用于耐热钢、高锰钢、不锈钢及高级合金钢等特殊难加工钢材的精加工和半精加工；其次，由于机床线速度低，刚性差，加工工件凸轮轴的长度过长，又没有中心架支撑，机床转动的抖动与刀具进给的颤动一起产生共振。所以应选择磨削阻力小（刀片安装角度是正前角）、刃口锋利、强度高、耐冲击的刀片。综合这两方面的因素，YT15在加工50Mn材料时强度不够，显得软一些，而YW2在加工20Cr时又显得偏脆，更适用于加工50Mn。表2是这2种刀片加工不同材料零件的比较。

本次2 000 例筛选对象中，1 008例低危人群，占50.40%（1 008/2 000 ）；517例中危人群，占20.85%（517/2 000）；475例高危人群，占23.75%（475/2 000 ）。

表2 YT14和JC5030铣刀比较

3.3 修正开档（50#）

加工设备为CKA6763数控开档车床，切削参数为n=560 r/m in，S=0.28mm/r，粗糙度为Ra 12.5。

更换50Mn材料后，原来使用的SANDVIK割槽刀不能满足生产节拍，而且切削效率也降低。在比较了几种割槽刀后，最终ISCAR的达到相对比较好的结果。表3为这2种刀片加工20Cr和50Mn材料时的比较。

表3 YT14和JC5030铣刀比较

3.4 车凸轮外形（80#）

加工设备为JSC1048A凸轮多刀车床，所用刀具为12×12白钢刀（D211-4002），切削参数：n= 425 r/m in，S=0.04 mm/r，v=90 m/m in，粗糙度要求为Ra 6.3。

JSC1048A机床转速和线速度都较低，并且无法提速（曾经多次做过提速试验，均未成功），不适合现代新型的刀具。涂层刀具及硬质合金刀具适用于高速切削，具有高效率、高精度、高可靠性和专用化的特点，但在JSC1048A这种机床上却无法表现出其优越性。虽然做过大量的刀具试验，但没有成功。其次，此道工序要从直径58mm的圆形加工出凸轮形，加工余量大，加工时依靠工件旋转和刀具交错进给完成，硬质合金刀具不能像高速钢刀具那样能够承受大的切削振动和冲击负荷。高速钢5F-6（W 10Mo4Cr4V3AL）与6542（W6Mo5Cr4V4）相比，有较高的硬度、耐热性、热塑性和强度、韧性及耐磨性。表4为这2种刀片加工20Cr和50Mn材料时的比较。

表4 6524和5F-6高速钢刀具比较

加工此道工序时，由于凸轮轴淬火硬度应达到58~62HRC，所以一般的硬质合金刀具加工时，寿命较差，加工成本较高。因此需选择带涂层的硬质合金钻头。

凸轮轴的钻孔直径5.8 mm，钻深8 mm，钻深是直径的1.4倍。此道工序原来使用120°中心钻、5.8 mm硬质合金麻花钻；现更改为使用5.8 mm SANDVIK的Delta-C钻头。这是一种新式钻头，此类钻头由于采用专门的几何刃型（2=140°，且多层TiN/TiALN涂层）使钻头具有自定心功能，在钻削大多数工件材料时具备良好的切削控制及排削性能。该钻头的自定心功能和严格控制的制造精度可确保孔的钻削质量，钻削后不需要再进行后续精加工。此类钻头的使用不但可以省去中心钻，而且由于转速、线速度各提高3倍，生产效率大幅提高，成本降低。

在相同的切削参数下，n=3 200 r/m in和v= 450 m/m in，选择了SANDVIK、TTTEX、SECO和OSG几种品牌的此类钻头进行了50Mn凸轮轴钻孔对比试验，结果如表5所示。

表5 不同钻头的比较

钻头使用之后需刃磨，但刃磨后原来的涂层就没有了，需重新涂层，TiN涂层在刀具中应用最广，还有一种纳米技术的TiALN涂层，使覆盖表面产生绝缘层，稳定性好，表面硬度高，耐磨性提高，加工温度高而铁屑不粘刀。

刀具涂层提高了刀具的使用效率。TiALN化学稳定性好，抗氧化磨损，加工高合金钢、不锈钢、钦合金、镍合金时，比TiN涂层寿命提高3-4倍。在TiAlN涂层中如果有较高的Al浓度，在切削时涂层表面会生成一层很薄的非品态AL2O3，形成一层硬质惰性保护膜，该涂层刀具可更有效地用于高速切削加工。表6是用过的SANDVIK钻头刃磨后的2种不同涂层的效果比较。

表6 Delta-C钻头不同涂层的效果比较

4 结束语

经过刀具改进后，凸轮轴生产线的刀具消耗明显下降：原来粗加工生产线的平均刀具消耗成本为4.65元/工时，精加工线的平均刀具成本为4.97元/工时，现在依次分别为4.11元/工时和4.65元/工时。

目前，凸轮轴生产线粗加工线中的机床比较陈旧、落后，线速度低、转速低、刚性差，可供选择的刀具有限，许多新型的高效刀具无法发挥作用。机床是长期效益的投入，机床落后直接表现为刀具消耗高、生产效率低。凸轮轴刀具的进一步改进，应和机床更新、改造同时进行，才能取得良好的收益。

1袁锡璠主编.现代机械制造工艺装备标准应用手册.北京：机械工业出版社，1997.

Optim ization of Cam shaft Cutting Tool

Wang Haitang (Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China)

Machining of camshaft becomesm ore difficult w hen bar material changes from 20Gr(alloy steel)to 50Mn(high quality carbon structural steel).This problem is solved by analyzing material property,changing cutting parameter and m achining process,applying cutting tool coating as w ell as making com passion test w ith consideration of existing production condition,w hich optim izes cutting tool,improve productivity and extend cutting tool operational life.

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来稿日期：2009-03-17

王海棠(1976－)，女，工程师，主要研究方向为刀具技术及应用。