列车轴箱体大孔精镗工艺优化实验研究

刘 鑫，孟广耀，林倩倩，李民刚

（青岛理工大学机械工程学院，山东 青岛 266033）

近年来，随着高速铁路的快速发展，高速列车关键零部件的生产品质和生产效率要求也相应的提高，在列车的众多配件生产加工中，车轮轴箱体的加工为最典型的待优化环节。

轴箱体精加工现行采用粗、精镗孔工艺路线。由于加工孔的直径较大且深度大，在实际生产中，加工件数少、刀尖钝化严重，更换刀片频繁。由于换刀时间长，对刀准确度差，致使加工效率低、加工品质不稳定等一系列问题出现。

当前对金属切削的研究主要集中在车削、铣削方面，而针对镗削加工性的研究较少。文中针对铸钢材料进行镗削加工试验，通过合理选择涂层硬质合金刀具和优化切削参数来提高镗削效率和刀具寿命；同时建立试验条件下的刀具寿命模型，分析各参数对切削力的影响，进一步优化、选择合理的切削参数，为高效、高品质地加工提供试验依据。

1 镗削实验

1.1 实验材料及设备

实验材料为高速列车铸钢轴箱体,材料成分如表1所示，材料硬度为HB115。如果材料内部存在杂质或铸造缺陷,会对刀具冲击较大,导致刀具急剧的刃口磨损,严重影响使用寿命。

表1 轴箱体化学成分

刀片为涂层硬质合金刀片TCMT110208-24，HV1669.3，基体材料为硬质合金YT15，涂层TiAlN可以抗崩刃和磨损，表面涂层TiN可以降低摩擦系数和防止粘结[1]。刀片是角度为60°、宽度为0.1 mm的负倒棱，以增加切削刃强度，刀体前角为10°，后角为7°。刀柄为日本 BIG+KAISER EWN158，SL200-270。

在WINTER三轴立式数控加工中心工作台上进行试验，主轴转速为60～4000 r/min,每镗完一个工件，使用工具显微镜进行前、后刀面的磨损测量,使用TR100便携式表面粗糙度测量仪进行表面粗糙度的测量。切削试验结束后，采用表面形貌仪对刀具表面的磨、破损形貌分析。试验过程为油基润滑剂MPS01A，切削速度ν=150～250 m/min，固定轴向切深ap=0.1～0.2 mm,每转进给量f≥0.16 mm。

1.2 刀具磨损实验

1.2.1实验过程

首先在之前的加工经验结果基础上,将背吃刀量定为0.15 mm。试验分七组进行，不同切削速度ν（主轴转速n）和进给速度fr组合如表2所示：

表2 七组试验组合参数

在试验时,刀具失效的判断依据是以下三种形式的一种或多种的组合。

（1）刀具后刀面磨损NB≧0.03 mm；

（2）刀具前、后刀面出现剥落或破损；

（3）已加工表面表面粗糙度大于1.6。

实验结束后，测量刀片径向磨损量NB值，并绘制磨损趋势关系线,如图1所示。

图1 刀具磨损曲线

从图1中可以看出,刀片在250 min的切削速度、0.16的进给量情况下刀具切削长度最长。同原始所用切削参数2相比，使用寿命增加一倍,这样就能够使实际生产减少一次换刀对刀时间，大大提高生产效率。

1.2.2刀片磨损形态分析

图2所示分别为刀片切削部分失效前刀面的SEM照片。从图中可以看出，刀具磨损初期，如图2（a）所示，前刀面的磨损主要是一些凹坑和微崩刃，崩刃现象主要是在热力耦合集中作用等因素下,在刀具的刀刃处发生破损。

刀具所走路程达到一定长度以后，如图2（b）所示，涂层会出现大面积的剥落，在切削刃口处有大块断裂，且由于基体材料的红硬性、抗热震性不足,使得前刀面的主、副切削刃附近逐渐出现类似月牙洼磨损现象；加上工件铸造时存在的缩松组织以及微观组织中存在硬质相,从而使崩刃等刀具硬质点磨损失效形式加速形成。

图2 刀具前刀面磨损SEM照片

图3 为刀片后刀面工业显微镜照片。照片显示,在工件切削时,工件的已加工表面与刀具后刀面相接触,相互摩擦引起后刀面磨损。后刀面与已加工表面相互挤压，存在弹性和塑性变形，直接影响到了加工尺寸。

另外，根据测力仪显示，在刀片切入工件的一瞬时，刀具受力大于正常切削时切削力的二到三倍,这种冲击损耗可以使刀片瞬时产生崩刃,这也是刀片寿命不高的原因。

图3 刀具后刀面磨损工业显微镜照片

2 磨损与切削力模型建立

2.1 镗削力的测量

切削力的测量一般有电阻应变片式测力仪和压电式测力仪。由于压电式测力仪具有灵敏度较高、刚度大、自然频率高、线性度好和抗干扰能力强等优点,因此，本实验采用压电式测力仪[5]。

切削力测量系统为YDX－Ⅲ9702型压电式测力仪,由电荷放大器、PCI9118采集卡、监测系统构成，如图4所示。

图4 镗削力测量系统示意图

2.2 镗削力经验模型建立

切削力的大小是由很多因素决定的,如刀具材料切削用量刀具角度、刀具材料等。一般对切削力的计算都是建立在实验基础上的,采用指数模型计算切削力,常用指数公式[6～7]如式子（1）所示。

式中，

CF为被加工材料和切削条件的系数；

x、y、z为决定于刀具与工件材料的系数；

KF为各因素对切削力修正系数的积。

对式（1）两边同取对数,则

令 Y=lgF,B=lgCF,C1=lgap,C2=lgf,C3=lgν,得：

运用最小二乘法形回归法进行拟合,先对式（3）进行回归分析,然后反求式（1）中的系指数，可得出指数形式的镗削力经验公式。根据试验得到的镗削力数据，以镗削力为目标建立经验模型。

刀具寿命模型为：

2.3 参数优化处理

刀具寿命受切削速度的影响最大,在公式（5）中，切削速度的指数为-0.982,随着切削速度的增加，切削力增大，刀具耐用度降低。从刀具寿命经验公式（5）可以看出切削速度ν及进给量 f对刀具寿命的影响非常显著[8]。

本实验最终将参数优化为：

在处理初始切入时的冲击问题是本实验将刀片旋转一定角度,当角度改变后,由主切削刃的靠近刀柄部分先行切入,从而保护了刀尖部分,也使刀片寿命得到一定的提高。

3 结束语

相比高速钢等其他原厂使用刀具，TiAlN-TiN涂层硬质合金刀片有较长的刀具寿命。通过实验可知，刀具磨损机理主要为磨粒磨损和粘结磨损。利用正交试验法对涂层硬质合金刀具镗削力、刀具寿命进行了试验,获得了镗削力、寿命经验公式，并对参数进行了优化，得出合理的切削速度、切削深度,可以提高刀具寿命，从很大程度上保证了加工品质，进而提高了加工效率。

[1]乔 阳，艾 兴，刘战强，等.涂层刀具铣削粉末冶金镍基高温合金试验研究[J].华南理工大学学报，2010，38（8）：83-88.

[2]Graham Don.Machining PM parts[J].Manufacture engineering,1998,120(1):64-67.

[3]吴道全，万光珉，林树兴，等.金属切削原理及刀具[M].重庆：重庆大学出版社，1994.

[4]袁哲俊.金属切削实验技术[M].北京：机械工业出版社，1988.

[5]X.Q.Chen,H.Z.Li.Development of a tool wear observer model for online tool condition monitoring and control in machining nickel-based alloys[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2009,(45):785–799.

[6]陈日曜.金属切削原理[M](第二版).北京：机械工业出版社，2009.

[7]陆剑中，周志明.金属切削原理与刀具[M].北京：机械工业出版社,2006.

[8]洛拉得泽T H著.切削刀具强度和耐磨性[M].艾兴等译.北京：机械工业出版社,1988.