一种定径机孔型加工刀具改进设计

张亚勤 邓 斌 吴景春 于莲双 姜 魁

（无锡太湖学院机电工程学院，江苏无锡214028）

0 引言

随着油井管技术的不断发展和行业竞争的日趋激烈，各个企业都致力于提高产品质量和优化产品工艺。在新产品和新孔型的不断开发和设计中，提高特殊产品生产效率和质量显得尤为重要，而提高管体质量，改善外型尺寸、最终实现尺寸稳定性，是稳定最终产品质量和生产效率的重要手段之一。

为了实现产品外型尺寸和形状的稳定提高，考虑从定径机的定径质量出发进行工艺优化和孔型尺寸优化，通过对孔型加工的刀具设计和改进进行分析，提高定径机的孔型质量，同时稳定产品尺寸。本文将就φ250MPM限动连轧机组定径机架的加工刀具设计和改进过程进行具体介绍。

1 定径机孔型加工原理[1]

定径机架孔型车削中心应用于定径机孔型加工，加工孔型的方法目前有两种：一种采用三把互成120°的组合车刀，在定径机架的中心线处车削，以定径机架的中心线为轴线旋转组合刀具来实现加工；另一种采用单把车刀从定径机架三辊的外侧母线处车削，通过三轴插补运动来实现对定径机架三辊的曲面加工。

这里介绍的是定径机三辊装配（图1）完后的集中加工。在加工时，机床带动左下方的外花键转动，辊1和辊2、辊1和辊3之间靠齿轮传动，刀具安装在机床中心轴上（图2），在中心点O做旋转切削[2]。

图1 轧辊装配示意图

图2 刀盘加工示意图

具体的加工步骤如下：

（1）刀具从参考点走直线移动到距离中心Z的位置（图3）；

图3 刀具距离中心示意图

（2）刀具在Z位置做转动切削运动；

（3）刀具转动切削到120°后退回参考点；

（4）转动轴C轴返回参考点；

（5）测量ai、bi尺寸是否达到要求；

（6）ai、bi尺寸达不到要求时，按上述步骤重复加工，直到达到要求加工完毕。

ai、bi、Z与刀盘直径Di、轧辊名义直径D的关系：

刀盘直径：

中心距：

式中，ai为孔型长半轴，指中心点O到辊边的距离尺寸；bi为孔型短半轴，指中心点O到槽底的距离尺寸；D为轧辊名义直径；Di为刀盘直径，加工时，即三把刀尖所组成的圆的直径。

孔型设计时，设计好ai和bi，就可以计算出刀盘直径Di和Z，加工前，按照计算好的Di尺寸在三维对刀仪上进行对刀，加工时，逐步减小Z轴的尺寸，当偏心距达到Z时，孔型基本加工完毕[3]。

2 改进前定径机刀具结构

2.1 定径机参数

定径机轧辊名义直径：D=550 mm。

材质：NiCrMo无限冷硬球墨铸铁。

机械性能：抗拉强度＞500 MPa；硬度HSD60～65，工作层硬度每减少10 mm，下降一个硬度单位；冲击韧性αk≥30 J/cm2。

2.2 原刀具参数

2.2.1 原刀具参数

牌号：FD22；刀片型号：RBGN150700；圆形陶瓷刀片，法后角5°，直径15.875 mm，厚度7.93 mm。

2.2.2 原刀具的缺点

（1）刀片容易崩刀，影响生产节奏和产品质量。

（2）压刀块材料硬度不够，在断屑过程中易出现容易磨损、压不紧刀片等问题（表1）。

表1 刀片用量和压块磨损量

（3）压刀块压刀面积只有刀面的1/3，刀片容易松动，造成崩刀（图4）。

图4 改进前刀头图

3 改进后的刀具结构[4]

牌号：FD22；刀片型号：RNUN150700；圆形陶瓷刀片，法后角0°，直径15.875 mm，厚度7.93 mm。

3.1 改进后刀具情况

（1）把压刀块由三角形改为半圆形，使压紧面积增加，同时焊接钨钴合金，增加断屑能力和耐磨性。

（2）把带后角的刀片改为不带后角的圆刀片，使刀片能够更好地利用，多点多面，提高刀片利用率。

（3）把刀座结构更改为带5°的倾角，使刀片产生切削后角，提高加工速度，最终实现偏心距Z接近0时更容易切削（图5）。

3.2 改进后刀具的优点

（1）压刀块和刀片之间增加断屑装置，断屑器用钨钴合金制作，提高了断屑能力和抗磨能力。

（2）改变压刀块形状，增大了压刀面积，进而增大了压力，刀片不易松动。

图5 改进后刀头图

（3）改变压刀块与断屑器的配合形式，增大了压力，进而增大了切削力。

（4）在刀座上加斜角，采用0°后角刀片进行切削，提高了刀片利用率。

4 改进前后的刀具使用情况

经过接近一年的实验和不断的改进，不仅在生产效率和加工质量上都有了突破，为提高后续生产效率做出了贡献，同时还为后续特殊螺纹产品的加工奠定了良好的质量基础。

（1）提高了刀片利用率。改进之前，刀片只能用一个面进行加工；现在刀片可以用两个面，刀片得到了充分利用，利用率提高100%（刀片形状改进如图6和图7所示）。

图7 现在用的刀片形状

图6 以前用的刀片形状

（2）有效控制了刀片的损耗，提高了生产率，节约了成本（表2和表3）。

表2 定径机架改进前后对比

表3 脱管机架改进前后对比

（3）压刀块使用寿命得到提高（表4）。

表4 压刀块改进前后对比

5 结语

经过相当长时间的使用，实践证明，改进刀具对提高产品定径质量和生产效率有着很大的成效；同时车间的生产更为流畅，最终实现了节约成本，为满足热轧的生产打好了基础，也为后续生产特殊螺纹产品奠定了良好的质量基础。通过后续的管螺纹加工的追溯，其生产效率提高20%以上，同时成品率提高30%以上，下井质量也得到了很好的保证。