浅谈一种创新坡口加工工艺的可行性及实际运用

吴 泽 何乐民 龙 浩

(中车株洲电力机车有限公司 湖南 株洲 412001)

1 概述

立板组成周边加工余量大、走刀路线长、加工刀具成本高。传统的加工方法是先使用玉米铣刀加工周边余量，再使用坡口铣刀加工坡口。这种工艺方法不仅生产效率低，而且对于刀片的消耗也很大。通过理论分析和现场实际对比，得出先铣坡口再铣周边的创新坡口加工工艺方法。

图1 立板组成加工图

创新工艺增加了坡口铣削的吃刀量，切削力也随之增大。通过对吃刀量是否符合机械加工工艺要求、切削功率是否在机床功率的使用范围、坡口加工吃刀量增大后坡口铣刀刀片使用寿命是否有缩短3个方面论证了创新坡口加工工艺的可行性，以及在实际运用中通过对之前两种加工方法在加工成本、加工效率等方面的数据对比，进一步论证该创新坡口加工工艺的优越性。

2 创新工艺的背景

考虑到焊接变形，为保证产品尺寸，零件下料时留有一定的加工余量。焊接工序之后焊接变形产生立弯，导致各处的加工余量不一致，最大余量为10 mm。铣周边单次走刀的最大切削深度为5 mm，所以该段需走刀2次。而铣周边的进给速度只有250～300 mm/min，本身的工效就低，2次走刀大大降低了整体加工速度。

按照生产计划需求，班组每天需要加工12件立板组成。但目前机加工序仅有2台数控铣床可用于加工，若按照传统的加工方法，1台铣床每班次只能加工3件立板组成，无法保证其他并行生产车型的生产进度。

3 创新工艺的确定

按照机械加工粗加工原则:首先选择大的背吃刀量和进给量，再选择合理的切削速度。对于粗加工，在符合机械加工工艺要求的前提下，如果所有产品只加工一刀，那么效率将大大提升，立板组成最大的背吃刀量就是周边坡口，若能实现一次走刀完成加工，将大大节省立板组成的加工时间。对立板组成而言，要尽可能地实现一次走刀完成加工，就是用坡口铣刀一次性加工完所有加工余量。

创新工艺的确定：将传统的先铣周边再铣坡口留钝边的工艺，改为先铣坡口再铣坡口钝边的方法。减去了加工效率低，加工刀具成本高的铣边工序。

4 创新工艺的实施

图2 先铣周边再铣坡口图3 先铣坡口再铣钝边

5 创新工艺的可行性论证

5.1 切削用量理论依据

选择合理的切削用量是切削加工中十分重要的环节。所谓合理的切削用量，是指在保证加工质量的前提下，充分利用刀具切削性能和机床性能，获得高生产率和低加工成本的切削用量[1]。

切削用量与加工生产率的关系：设生产率为Q，Q=AOνcapf

式中：AO为常数；νc为切削速度，m/s；ap为背吃刀量，mm；f为进给量，mm/r。

由公式可知，切削用量三要素同生产率均保持线性关系，即提高切削速度、增大进给量和背吃刀量，都能提高生产率[1]。创新坡口加工工艺增加了背吃刀量，提升了生产效率。

切削用量与刀具寿命的关系：切削用量三要素对刀具寿命的影响程度不同，由大到小的影响次序是：切削速度、进给量、背吃刀量[1]。“创新坡口加工工艺”增加了背吃刀量，理论上对刀具寿命是有一定影响的，但只要保证切削用量符合工艺要求，刀具刀片在加工中是正常磨损，符合刀具刀片使用规定，在实际运用中是可取的。

选择合理的切削用量是要选择切削用量三要素的最佳组合，在保持刀具寿命合理的前提下，使背吃刀量、进给量、切削速度三者的乘积最大，以获得更高的生产率，因此，选择切削用量的基本原则如下：首先，选取尽可能大的背吃刀量，其次，根据机床的动力和刚性限制条件或已加工表面粗糙度的要求，选取尽可能大的进给量，最后，利用切削用量手册选取或者用公式计算确定切削速度。在机床功率和刀具强度允许的情况下，一次进给应尽可能切除全部余量[1]。

由图4可以看出，“创新坡口加工工艺”增加了背吃刀量，提高了生产效率，这种工艺方法理论上是可行的。

(a)先铣边再铣坡口 (b)先铣坡口再铣边图4 单次走刀切削量示意图

5.2 切削力的理论论证

5.2.1切削力

切削力直接影响工件质量、刀具寿命和机床动力消耗。切削力主要来自2个方面：切削层金属、切削和工件表面金属层的弹性变形产生的变形抗力；刀具前刀面与切屑、刀具后刀面与工件表面之间产生的摩擦抗力[1]。

5.2.2切削功率

切削功率是指消耗在切削过程中的功率，记为Pm，单位W，切削功率的公式为：

Pm=Fcνc×10-3

式中：Fc为主切削力，N；νc为切削速度，m/s。

求得切削功率后，在实际加工中，不仅要考虑机床的使用寿命，增加设备的利用价值，还要考虑机床的传动功率，切削功率一般取机床传动功率的75%～85%[1]。

查阅设备资料：主轴功率Pm=22 000 W，根据公式得出：

Fc=Pm/(νc×10-3)

参照传统工艺与创新工艺切削力的对比分析(见表1)，得出坡口铣刀加工最大切削力为：

Fc=22 000/(800/60×π×125/1 000)=4 198 N

铣坡口的切削力增加了(2 402-1947)/1 947=23.37%，而铣边的切削力减少了(721-48)/721=93.34%。根据表1所计算出的各项切削力在机床主轴切削力承受范围之内。

表1 新旧工艺切削力对比分析

5.3 创新工艺实际运用情况

采用创新工艺的实际运用后效果如图5～6所示，产品加工质量符合工艺要求，坡口角度、表面粗糙度和坡口钝边尺寸都符合工艺尺寸要求，同时加工后坡口刀具刀体完好，刀片正常磨损，未产生崩裂等现象，而且机床加工运行平稳，主轴无异常振动现象发生。

图5 已加工产品

图6 坡口铣刀

6 创新工艺的成效

6.1 人工成本节约量

原采用码垛铣边再铣坡口时，每人每班次能加工8件。厂房搬迁之后，采用电磁平台装夹，每次只能装夹1件，先铣边再铣坡口，每人每班次只能加工3件。运用“创新坡口加工工艺”后，工效提高到每人每班次加工10件。

6.2 刀具成本节约量

6.2.1周边铣刀片

采用码垛工艺先铣边再铣坡口时，每铣完一垛(4件)的周边需要使用28个刃，相当于每件铣边需要刀片(28/4/4=)1.75片。改为电磁平台装夹后，只能单件装夹，采用先铣边再铣坡口的工艺方法时，铣单件产品需要使用12个刃，相当于每件铣边需要刀片(12/4)=3片。运用“创新坡口加工工艺”后，铣边的刀片消耗降低至0.04片/件。

6.2.2坡口铣刀片

根据刀具寿命与切削用量的关系：切削速度、进给量、背吃刀量对刀具寿命的影响由大到小[1]。“创新坡口加工工艺”增加了切削三要素中对刀具寿命影响最小的背吃刀量，理论上对刀具寿命是有一定影响的，但在实际加工中所消耗的刀片与传统工艺区别不大。

根据生产计划可知，2017年共生产58列八轴车。节约总成本=人工成本节约量+刀片成本节约量。

创新工艺相较于码垛工艺铣边铣坡口节约的成本Q1为：

Q1=4 371.84+31 500.014=35 871.854 元

创新工艺相较于单件传统工艺铣边铣坡口节约的成本Q2为：

Q2=41 057.28+54 526.568=95 583.848 元

7 结语

通过理论分析和实践检验，采用“创新坡口加工工艺”无论是在提高生产效率上还是节约成本上，均优于传统的先铣周边再铣坡口的工艺和之前的码垛工艺。目前，创新工艺已固化到立板组成的机械加工工艺卡片中。该工艺方法可以推广到后续类似需要铣周边和坡口的产品中去。