1、高级车工技师论文提高车床加工工效的几个途径【摘要】 车床加工中，“三分技术七分刀”的说法，充分说明了刀具在加工中的重要地位但即使使用同样的机床和刀具,不同操作者所完成的加工过程和结果，也是有所差异的,这便是技术水平上的差异。这种差异主要表现在对加工参数的选择与应用,以及现实施行的加工方法上面。也就是说，只有加强学习，钻研和寻找理论知识与实践经验的有效结合点，灵活运用了知识，那么在实际应用中将会发挥出意想不到的作用。【关键词】 优化工艺方法 合理性 硬质合金 打刀 主偏角 四爪单动卡盘 半精加工 螺距 钝圆 撞车 前角 群钻 分屑槽 磨合现象 消振棱 倒棱 镗孔 刀尖角 强力切削 铁屑 过渡刃
2、排屑槽在金属切削加工中,我们追求的理想状态一般是减少单件机加工工时,并尽可能使刀具耐用度提高,以达到降本增效的目的。但在实际生产中,要根据零件的材料和数量的多少,以及加工特点,进行科学合理地分析,选择优化工艺方法,才能达预期的理想状况。一.刀具的合理选用是提高工效的最基本保障 加工材料通常分为脆性材料和塑性材料，例如碳钢类和铸铁类工件，在车削前对刀具的选择：1）刀具材料的选择：碳钢毛坯通常选用 YT 类硬质合金加工；铸铁类工件选用 YG 类硬质合金加工。但是在加工气割毛坯工件或间断切削的工件时，由于工件存在表面硬点和断续冲击的影响，有时要考虑选用韧性更好的 YW 类硬质合金或高速钢刀具荒车表面
3、，以免出现“打刀”现象的发生；2）主偏角的选择：常用车刀的主偏角分45 度，75 度，90 度等几种（以外圆刀为例），每种刀都有自己的特点，粗加工中一般采用主偏角较小的刀具，因为其刀头散热条件较好，刀尖角相对较大，刀头强度高，适合强力切削；而较大的主偏角适合台阶轴车削，其较小的径向分力，在加工刚性较差的细长工件中效果较好。但在实际加工中也有时采用各种刀具的优点混合使用，比如较大尺寸的台阶轴工件粗加工时，可用 45 度刀粗车(因为在批量较大的情况下 45 度车刀能承受更大的切削用量和切削速度，刀具寿命明显高于 90 度车刀)，90 度刀清根的方法加工，能取得较高的效率；3）车刀刃磨角度的选择：这
4、一点特别重要。对于同一个状况而言，几何角度的合理与否直接影响到刀具的使用寿命和加工表面质量，这要求必须遵循一个原则：合理性。我们很难将车刀刃磨得适合任何材料，或任何加工类型（指粗加或半精加工等）。通常只针对一种类型而言，如粗车 45#钢棒料，为使切削轻快，增大前角可明显降低切削力，在一定范围内切削力的减小与前角的增大成正比。但过大将会事得其反，其强度的降低也和前角成正比。所以应恰当把握尺度，这便是所需要的“合理性”。刀具的各个角度之间有着密切的联系，刃磨时应综合考虑，不可片面追求刀“快”，而使事与愿违。二创新的思路会给工作带来展新的一面。生产过程中，各个行业均会出现问题与难点，对此我们应以积极
5、的心态去尝试着来解决它，这样往往在某个方面想出一些巧妙的办法。包括一些常用的方法，我们都应抱有创新的心态。比如QJS180 锯机防护丝母的加工中，以往都是在四爪卡盘上，每个工件在加工前必须进行找正，经过分析与尝试后，笔者采用三爪卡盘加垫片的方法替代前者，略去了找正时间，简化了整个加工过程，工作效率大大提高：防护丝母是我公司 QJS180 桥式锯机丝杠部件中的一个零件，材料为 HT200。其外形如图所示，由于该机的产销量大，所以零件加工工序多为中小批量加工。以往对于 T48*7-7H 的梯形内螺纹，一般是在普通车床上采用四爪卡盘装夹加工，加工前毛坯要逐个找正，费工费时。7mm 的螺距，使内螺纹在
6、车削时刀具相对工件运动速度较快，而且需要频繁进退车刀，所以使加工过程变得紧张、繁琐。稍有不慎也易进错刀，甚至会发生“撞车”现象，损坏刀具或者工件报废，因而对操作者的技术水平有相当高的要求。另者钻底孔（40mm）过程劳动强度较大，操作者易于疲劳，因此对加工效率的提高带来一定困难。针对上述不利因素，笔者在实际加工中（2003 年期间）利用德州产 CKD6140 经济型数控车床，发挥数控加工的优势，配合自制工装进行车削，实现了加工过程的自动化，取得了理想的效果，具体改进方式如下：1）用加垫块的方法用三爪自定心卡盘替代四爪单动卡盘装夹，简化了找正过程，节约了装夹时间。垫片厚度的计算方法可用 CAD 绘
7、图法，测量出理论数值后，再在实际装夹中进行验证调整。需要注意的是未加垫片的两爪，夹紧位置应处于工件毛坯棱边边线的中间位置。用目测法校对装夹后，钻孔位置误差一般能控制在 1mm 左右。2) 由于工件钻通前、后钻头的走刀路线总长度是包含两个钻心高度的，所以说两种钻头的走刀路线差值，实际上是两者的钻心高度差的两倍，而不是两者钻心高度之差。这对于批量加工来说，走刀路线的缩短就意味着工作效率的提高。3）用专用钻孔工装，象装夹车刀一样固定在车床刀台上（如下图所示装配使用，本工装已发表在原机械工人2005 年第九期上）替代人工用尾座钻孔，完全实现了自动切削的过程，把劳动强度降到最低。上图工装的使用方法：可将
8、一坯料装夹在卡盘上，用车床尾座钻出 40mm 的孔，然后把上图中的工装体象装夹车刀一样装夹在刀台上。钻头找正时，要先把钻头穿过事先钻好的孔内，再去调正工装体，最终使孔、钻头、钻套、工装体内孔统一在同一轴线上来。需要说明的是，钻套的外圆是圆柱面，与工装体的内孔是过渡配合（可用标准钻套改装成型，这样设计的目的是重磨钻头时，换装极为方便，只需折下定位螺钉，便可抽出钻头和钻套来），而工装体的制作中，先加出除内孔和销孔的其它位置后，最后镗孔。为使内孔处于理想位置，最好采用配作的方法加工：1.即把工装体安放在刀台的压刀位置上，调正、压紧；2.把钻头装夹在车床的三爪卡盘上，预留 1-2mm 精加工量，移动大
9、拖板进给，钻出底孔；3.卸下钻头，换上镗孔刀，仍旧装夹在车床的卡盘上，用同样的方法精镗出内孔。并刻划出位置标记，以便在下次使用时，工装的位置仍然同制作时的位置相吻合。以上所述加工方法，已通过多年的实践验证，是一种实用性很强的典型范例，为此类工件的加工方法展示了一条新的思路。三工作中多留意某些“不利现象”，正确利用它，会给工作带来很大方便。例如在车床上钻 45#钢时（指较大的孔），切削易成带状，这种屑形虽然排屑顺利，但却易于伤人，不易清理。偶然在一次钻孔时，钻头前刀面出现几处较大破损，继续工作时屑形呈碎片状。分析原因是破损的主切削刃变成若干段折线，相当于磨出若干分屑槽，而且前角明显变小，因而出现
10、这种现象。如果希望出现这种屑形，只需仿照便可以了。四加强理论学习，利用理论知识应用于生产是提高工效的好方法。阅读和学习大量和车床有关的书籍和资料,学习他人的一些方法和思路是开启难点的钥匙。无数同行和前辈,学者在自身的实践中,用数年甚至毕生的经验、成果定格成文章,供我们参照,这使我们在解决某些问题上寻得一条捷径,尤其是信息化时代的今天,网络成为个人成长和发展的有效平台。它如同一盏路灯,不仅拓宽我们的视野,而且在信息交流中使工作上少走很多弯路。五工作经验的积累和利用是提高工效一种方法。在现实生产中,操作者的新老交替大多是以师带徒的形式进行的,这种方法给徒弟不止是有积极影响的一面,一些错误的做法同样
11、会误导徒弟,这是我们不容忽视的一个方面。这就要求我们不能人云亦云,盲目接受,要多问几个为什么,更要勇于打破传统思维方式,不仅要消化正确可行做法,甚至要形成自己的风格,锻炼成具有独立解决难题的方法和能力。这样在工作上才能有所突破。记得有个小马过河的故事,说河水的深浅只有勇于亲自尝试才能验证。下面是笔者在多年实践中的一个实例应用。即“磨合现象”在车刀中的应用。众所周知,机动车辆在正常使用前都有一个“磨合期”,其主要目的是消除零件在制造和装配中的各种误差,改善配合状态,以便于在后期的工作中发挥良好的作用。此期间,通常要限制负荷与车速,不能满负荷工作,通过长期的观察发现,该现象同样适用于车刀的工作状况
12、。刀具的正常磨损分初期磨损,正常磨损和后期磨损。刃磨后的车刀,刃口上有许多锯齿状的小缺口,如果在刃磨后直接使用,切削负荷极易在这些强度薄弱的位置引起应力集中而形成早期破损,较可行的办法是用油石适当研磨车刀的各个刃口和刀面,进一步降低表面粗糙度,尽可能消除微观缺陷,钝圆刀刃。提高其抗冲击性能,这个研磨过程十分重要,相当于车刀的初期磨损。它能大大提高车刀的抗破损能力。QJS180 锯机主轴是一种典型台阶轴类零件，材料为 45钢。该件是由锻坯正火后再进行粗车的，粗车后预留半精车余量在 24mm 之间。以前的半精车工序中，是用 90外圆车刀（注：本文所指刀具为机夹式车刀，刀片材料为硬质合金 YT15）
13、担负着除端面和倒角以外几乎全部的外圆加工，承担了主要切削任务。而 45外圆车刀仅用于车端面和倒角的过程中，起次要作用。但通过笔者不断地尝试，对半精车加工中的刀具几何角度，工艺方法等几方面做出部分改进后，不仅明显提高了加工效率，而且刀具的使用寿命也同时得到了提高。具体改进方法如下：1）改用 45外圆车刀半精车大部分外圆（除左端 80 和 150 以外台阶）， 90外圆车刀清根的方法加工工件。改变了两者主次关系，调整了切削用量。下表是实验后，两种刀具的切削参数的对比表：通过上表的对比不难看出，工件在加工时转速和走刀量等参数上显著提高了。那么为何会有这么大的差别呢？如下图所示，当车床每转进给量用线段
14、 AB 表示，用矩形 ABGF 和 ADEH 分别表示90外圆刀和 45外圆车刀的切屑厚度。不难看出，在直角三角形 ABC 中，直角边 BC 的长度必然要小于斜边 AB 的长度。也就是说在进给量相同的情况下，45外圆车刀与 90车刀的切屑的厚度之比为 1：2；而在背吃刀量（L）相等时，在直角三角形 ADF 中，直角边 AD 和斜边 AF，分别为 45外圆车刀与 90车刀主刀刃的负荷分布长度。也就是说在同样的切削力与切削热的情况下，前者较后者有更长的散热长度和较小的表面压强。这就是刀具在主偏角改变后，刀具切削用量为何能够加大，而且刀具寿命并不降低的重要原因。但需要说明一点，工作中选择上表中切削用
15、量的上限，刀具的寿命将处于数值的下限值。2）在主后刀面上磨出“消振棱”，结合人工“磨合切削刃”的方法，能使加工过程的振动现象得到有效的扼制。我们知道，任何事物都存在优、缺点的两面性。45外圆车刀虽然具有上述优点，但也同时存在不利的方面：较大的径向切削分力。而 90车刀的主要切削力方向是沿走刀方向平行于的轴线的，径向分力很小，这就是车细长轴类工件多选用较大主偏角刀具的原因。本工件的长、径尺寸比按 1130：70.516：1，最细处直径为 70.5mm。半精车余量在 4mm 以下，虽然工件的从外形、切削力方面分析，其刚性相对较好，但由于改进后所采用了较高的车速和径向分力较大的刀具，产生振动的倾向也
16、增大了。所以必须首先解决切削过程中振动的产生。而采用在车刀的后刀面磨出消振棱的方法，是一种抑制振动的有效方法。3）“磨合现象”在车刀中的应用。前者所说的“磨合现象”，笔者通过长期的实践观察笔者发现，该现象同样适用于车刀的工作状况，在此件的加工中应用后取得了令人满意的效果。刀具的使用磨损分初期磨损，正常磨损和后期磨损。刃磨后的车刀,刃口上有许多锯齿状的小缺口，如果在刃磨后直接使用，切削负荷极易在这些强度薄弱的位置引起应力集中，而形成刀具的早期破损。较可行的办法是用油石适当研磨车刀的各个刃口及刀面,进一步降低表面粗糙度，尽可能消除微观缺陷，钝化刀刃的尖角，提高其抗冲击性能。这个研磨过程十分重要，相
17、当于车刀的初期磨损，它能大大提高车刀的抗破损能力。据有关资料介绍，现在已有专门针对刀具作钝化处理的工艺方法。车刀在安装后的工作实际角度，会因安装误差而发生偏差，从而改变了刀具刃磨后本身的角度，这种误差会给加工造成一定影响。相信同行们会发现刚磨出的车刀，不如使用过一段时间后好用，甚至是无法正常使用。这种现象多发生在细长轴类工件的首件加工中，刚磨好的刀具常会出现明显的振动现象，造成加工面出现明显振纹，严重时甚至使加工过程被迫中止。通常这种现象会被认为是刀杆的强度低或是机床结构中某些部位间隙过大，工件刚性不足等原因所至，所以首先设法强化刀杆的强度，或是调整机床，降低车速等方法。在排除以上原因仍未得到
18、控制时，在很大程度上就是刀具后角偏大所造成的。而依据“磨合现象”，在主后刀面磨出一个大约宽在 0.2-0.4mm 左右，后角为 0 度的消振棱，配合油石研磨刀刃后，一般能消除振动现象的发生。如果仍未消除，可采用提高车速小吃刀的方法，试切一段时间后（目的在于加速初期磨损的过程），再进行正常加工参数的切削加工，就能根除振动的发生，这就是笔者所说的“磨合现象”。这时作为消振棱的这个棱面，在切削时与工件产生磨擦所产生的反作用力，这个作用力在一定程度上会减弱或抑制了振动的发生。实践证明，振动现象一般是常发生在前三、四件加工过程中，而通过这个“磨合”期的刀具，从理论上来说，消振棱的刃磨偏差和安装误差在此期
19、间被磨损掉了，形成了实际存在的 0 度后角的消振棱，即工件与刀具之间形成了“默契”的工作关系，从而有效地抑制了振动的发生。有些书籍上也介绍过其它消除自激振动的方法，如采用消震器，但不如该方法方便实用。4）双重后角结构，能兼顾到刃口的强度与耐用度。理论上主后刀面较为合适的后角是 35左右，但由于刃磨和安装的误差，使我们很难掌握地恰到好处，而采用在后刀面上磨出消振棱的办法，只要恰当控制后刀面 VB 宽度（经验值VB 约为 0.20.3mm，其后角为零度）并进行适当的“磨合”，振动现象会得到有效地扼制。我们知道，适当增大后角可明显降低切削阻力，使切削变得轻快，这在手动进刀时会有明显感觉。然而较大的后
20、角又易于产生振动，所以采用“双重后角”结构，车刀就具备了既快又耐用的特点。如果出现单纯的刀刃正常磨损，只需要拆下机夹刀片来，手工在砂轮上稍加修磨，就可再次使用。而用这种方法 5）增大刀尖圆弧半径尺寸。较大的刀尖（过渡刃）能使刀具的抗冲击性及散热效果得到明显改善，而且降低了工件表面刀痕残留面积的高度，这为减小粗糙度提供了保障。当然，较大的圆弧尺寸切削力也有明显的影响，经验值是控制在 R2.5-R3 左右。6）较宽的倒棱结合较大的前角，在强化刀刃的同时，对切削力的增大也不会有较大影响。由于刃口倒棱的宽度值一般是走刀量的 30%-70%左右，我们选择的是较大的走刀量参数，自然也应选用较宽的倒棱宽度值
21、，这样刃口的强度及散热能力也会随之提高。此时适当增大排屑槽的宽度和深度，使刀具前角加大，降低了切削力的同时，切削热也会明显降低，排屑变得通畅，一般铁屑呈白色的长螺旋绳状排出，在刀具使用寿命的中后期会出现微黄色，并随切削时间的增长铁屑颜色也变深，此时应及时磨刀。要不，当切屑呈深蓝色时，刀具磨损已是很严重了。此时再磨刀，就很难出现理想的切削效果了。如果刀具在采用前述方法车削时，铁屑呈现深黄色，而且是 C 型屑，这说明前角小，排屑槽偏浅，偏窄。在修磨排屑槽时，一定要平行于主刀刃，倒棱宽度要保持基本一致。刃倾角为 0或正值，控制切屑流向不能朝向已加工面，以免产生划伤和铁屑乱崩现象。磨刀时砂轮的圆角不能
22、太大，否则就易磨成宽而浅的排屑槽，也就无法达到前述效果。7）加工先后顺序的改进。以前车工件时，是先从最大尺寸的台阶开始，依次向床尾方向的加工顺序进行的，其间在反复的空行程上，浪费了许多时间。由于粗加工中各台阶的长度尺寸已车好，所以工件装夹好后，完全可以从尾座至床头的加工顺序，减少了空行程中的时间消耗，工件的台阶越多，节省的时间就越多。因这种方法的加工路径基本是“顺路”加工，再用 90外圆车刀清根时，也只有很少的一段行程了。而原来的方法是多走了一个工件长度的行程。以上改进的工艺方法，是笔者在多年的实践中得出的经验。关于“磨合理论”的说法，笔者也在后来金属加工杂志上找到相关论文的支持，即 2009
23、 年第8 期事半功倍的新工艺刀具钝化。在此特别说明的是，工件坯料中如有焊点，气孔，白点，弯曲过大或经过调质处理的，均不适用此方法加工。六车刀的安装后的工作角度会异于其刃磨角度,这种误差有时会给加工造成一定影响。相信同行们会发现刚磨出的刀不如使用过一段时间好用,甚至是无法正常使用。比如我公司某产品部件的青铜螺母加工中,T487 的梯形内螺纹,在首件加工中刚磨好的刀具常会出现明显的振动现象,加工后的牙侧面振纹明显,无法达到图纸要求，通常这种现象会被误认为是刀杆的强度低所至,所以首先设法强化刀杆的强度,但结果并未根治这种现象的发生。而依据“磨合现象”,采用提高车速小吃刀的方法试切,或用油石研磨，加速
24、初期磨损的过程,使主副后刀面尽快出现一个较小的 VB 宽度,大约在 0.1mm 左右,即形成消振棱后,再进行实际切削加工，这时作为消振棱的这个棱面在切削时与工件产生磨擦,所产生的反作用力，这个作用力在一定程度上会抑制或减弱了振动的发生。另外在半精车外圆中也经常会遇到这种现象,通常会认为机床本身的刚性差或机床某些结构间隙大,多年的经验证实,真正的根源大多是刀具本身的后角相对过大,理论上较为合适的后角是 23 度,但由于刃磨和安装的误差,使我们很难掌握地恰到好处,而采用在后刀面上磨出消振棱的办法,只要恰当控制其后刀面 VB宽度（外圆刀经验值为 VB 约等于 0.20.3mm 其后角为零度）并进行适
25、当的“磨合”,振动现象会得到有效的扼制。结束语 机械制造行业中，经济成本是企业重点控制的对象，而生产效率是其中的重中之重，以人工操作为主的加工类型中，人为影响的因素很多，这就突显出员工操作技能对降本增效的重本性。在车床加工中，“三分技术七分刀”的说法充分肯定了刀具在加工中和重要地位，这就要求我们在提高刀具耐用度，减少辅助时间的消耗方面引起足够重视，刀具不仅会磨，更要会用，不当的操作会大大减低刀具潜能的发挥，提高工效也成为一句空话，三分技术七分刀具的完美结合才是我们想要的理想状态。参考文献 ： （1）机械制造工艺学 朱焕池主编 机械工业出版社（2）金属切削原理与刀具 吴林禅主编（3）金属加工冷加工2009 年第 8 期 机械工业出版社（4）机械加工工艺手册 王先远主编 机械工业出版社
