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阀门零件的孔加工浅谈

日期：2007-8-13 21:07:26 人气：36 [大中小]

阀门是现代工业、农业能源、化工、冶金、热力及日常生活必不可少的易耗产品，为了扩大市场占有率，因此如何提高阀门的生产效率，降低生产成本正是各阀门公司迫在眉睫的要解决的问题。

阀门的机械加工主要是阀体和阀瓣的车削类加工和钻镗类加工，而其中钻孔约超过整个加工工时的1/2，我公司针对以上情况进行分析比较：

表1
加工方法	加工刀具	切削速度 m/min	进给量 mm/r	切削效率
车削类加工	硬质合金	100-360	0.1-0.4	较高
钻镗类加工	高速钢	10-30	0.05-0.5	较低

从（表1）可以看出车削类加工已经达到了较高的效率，如再要提高相对比较困难，而钻镗类加工的效率比较低，有较大提高的可能，因此，我公司就钻镗类加工进行了多次试验，使得孔类零件的加工效率有了明显的提高。

下面我分别对不同要求的孔进行对比，分析和改进：

一．关于IT14级要求的孔的加工：

我们先来看一下以下实例：

工件材料：A105锻件
加工内容：钻孔32-Φ51深125
加工设备：立式加工中心
加工工效：100元/小时
硬质合金方案
- 刀杆费用：2500元
- 刀片费用：34元/次
- 推力5500N
- 扭距120Nm
麻花钻方案
- 钻头费用：150元
- 推力14439N
- 扭距203N-m

表2
加工方法	加工刀具	实际切削深度 mm	切削速度 m/min	进给量 mm/r	单位零件加工时间 min	钻中心孔	刃磨	重新对刀	操作工技能要求	切削效率	单位零件加工成本
钻削加工	硬质合金U钻	130	160	0.12	35	不需要	不需要	不需要	低	高	74元/件
钻削加工	高速钢麻花钻 Φ30和Φ51	157	18	0.38 0.45	167	需要	需要	需要	高	低	279元/件

从以上实例我们可以看出采用“硬质合金U钻”钻孔的效率是“高速钢麻花钻”钻孔的 4.7倍，单位零件加工成本下降 73%。在其它切削试验中也得到相类似的结果，目前“硬质合金U钻”以是加工中心中不可缺少的钻孔刀具。

下面我对 “高速钢麻花钻”（见图1）和“硬质合金U钻”（见图2）进行讨论：

图1

图2
- "U钻"由于采用不重磨螺钉固定式刀片，在加工零件时刀杆不会缩短，因此，它的长度同"高速钢麻花钻"相比要短得多（它不需要留刃磨余量），根据压杆的稳定性原理(见公式1)，仅长度减短使其临界压力Pcr约为麻花钻的1.5倍以上,因此"U钻"的刚性要比"高速钢麻花钻"好得多，正是由于这一点，"U钻"所加工的孔的表面质量和钻孔的位置精度都要比"高速钢麻花钻"好得多，也正是由于它的高刚性设计，用"U钻"钻孔时不需要用"中心钻"定位，节约了加工时间，提高了加工效率，降低了生产成本。也正是由于它的高刚性设计，它还适合于加工小斜面上的孔和凸型及凹型面上的孔。
  
  根据压杆的稳定性原理，压杆类零件的临界压力:
  
  Pcr = p²EI /（µ*l）²……………………………………………(公式1)
  
  其中µ为系数，对于U钻，µ=2
- 从切削受力方面分析"硬质合金U钻" 与"高速钢麻花钻"切削特点,"U钻"由于采用了不重磨螺钉固定式刀片，对于不同的加工材料，我们可以选择不同的刀片材质和不同的卷屑槽型，从而改变了刀具的切削刃的切削角度，并且通过刀体上的刀坑的角度的变化使得内外刀刃的切削角度发生变化，从而使钻心处有比"高速钢麻花钻"更有利的切削角度，从而大大降低了钻头的轴向力，（根据刀具样本提供的数据约为麻花钻的2/5），由（公式1）可知，这样提高了它钻孔时的刚性。
- "高速钢麻花钻"为了在钻孔时不偏离位置，需要在正确位置预钻中心孔，并且要求操作工有具有相当的磨钻头的能力，否则无法将孔钻直。而"U钻"对操作工就没有这方面的技能要求，它在刀体设计时就以采用了力平衡设计。
- "U钻"的刀片可以根据不同的加工材料和热处理状态选择刀片的材质和切削槽形，以获得稳定的铁屑形状并在内冷却液的作用下顺利地排出孔外，从而获得较好的表面质量,同时也由于通过对铁屑形状的有效控制并有内冷却液促进铁屑顺利地排出孔外，"U钻"的刀体设计可以缩小排屑槽，从而最大程度地提高刀体的刚性。
- 从刀具的结构上分析"硬质合金U钻" 与"高速钢麻花钻"切削特点：其切削刃为"硬质合金"，众所周知硬质合金具有相当高的硬度及具有相当高的红硬性，又因为"U钻"的刀片是不重磨螺钉固定式刀片，它不需要钎焊，刀片不发生退火现象，更有利于保持刀片原有的硬度，因此用它制成的刀具具有相当高的切削速度（100~350m/min），这是高速钢刀具所无法比拟。同样由于"U钻"的刀片的高硬度及具有高的红硬性因此这种刀片也具有相当高的耐磨性，其使用寿命远远高于高速钢刀具，因此大大减少了换刀具的时间，提高了机床的利用率，同样由于其刀片为不重磨刀片，大大减少了操作工磨钻头的时间，也减少了重复对刀的时间，从而大大提高了机床的利用率。
- 由于"U钻"的加工精度较低，直径分级较大，无法用于螺纹底孔的加工，而阀门加工决离不开螺孔，为了解决"U钻"钻螺纹孔的要求，我们还可以通过在"U钻"刀柄部加上一个偏心套筒，使得刀具能在-0.2~+0.5mm之间调整，从而解决了大于M16螺纹底孔的加工，提高了生产效率，降低生产成本。
- "U钻"的缺点：
  1. 刀体较贵。
  2. 深度较浅，不超过5倍直径。
  3. 机床一般需有内冷却。

二．关于IT10级要求的孔加工和直径小于Φ12的钻孔加工：

对于直径小于Φ12的钻孔加工过去都采用中心钻定位，再用麻花钻钻孔，这样的生产效率很低，我公司曾有一个零件要钻6个Φ10.2深25盲孔，原用中心钻定位，再用麻花钻钻孔，共要加工9分钟，针对这一情况，我们同刀具供应商一起讨论，最终采用了具有以下加工特点的硬质合金钻头（见图3）：

图3
1. 在平面上垂直钻孔无需预钻中心孔就能达到定位精度小于0.02mm.
2. 能达到较高的表面质量
3. 高刚性的螺旋槽结构，有利于铁屑的排出。
4. 表面复合镀层能减少刀具的磨损和积屑瘤的形成。
5. 内冷却设计，使铁屑快速排出。
经过这一改进，现加工这一工步只需要3分钟，比原来提高了效率3倍，大大提高了生产效率。
硬质合金钻头的缺点：
1. 钻头较贵。
2. 刃磨困难，要有专用磨床。
3. 机床需有内冷却。

三．复合刀具的发展及在阀门加工中的应用：

复合刀具起源于阶梯麻花钻和成形刀具，用来加工一些台阶孔，由于当时主要采用高速钢刀体磨制而成，在加工碳钢类零件时寿命尚可，但在加工奥氏体不锈钢时则寿命相当短，而且由于是定尺寸刀具，磨损后无法进行调整，只得将整个刀具报废，因此无法在阀门加工中得到推广。
新一代复合刀具的崛起：随着硬质合金技术的发展，不重磨刀片的普及，现代化高精度数控加工中心的出现，为了适应不断提高的生产力水平发展的需要，为了提高生产效率，不重磨刀片式的复合刀具迅速发展起来，
不重磨刀片式的复合刀具在阀门加工中的应用：众所周知阀门一般都有一个控制阀瓣启闭的阀杆，而阀体上都有通过阀杆的中口填料孔（如图4），原采用角尺车模车削加工，由于角尺车模离心力大，不能采用高速切削，生产效率低，表面质量差，生产质量不稳定。后我公司进行技术改进，将中口加工放到加工中心加工，采用常规刀具加工（需要6件刀具）表面质量明显提高，生产质量也明显提高，但生产效率还不够理想，为了进一步提高生产效率，我们与刀具商合作，定制了专用不重磨刀片式的复合刀具，则刀具数量减少到2件刀具，使换刀时间减少了2/3，生产效率明显提高。
不重磨刀片式的复合刀具也有一些缺点，它是非标刀具，订货时间长，价格昂贵，只适应大批量生产而不适应小批生产。为了单件小批的生产或新产品试制中，我们经常采用模块化设计的刀具，它在一定范围内能调整尺寸，完成加工任务，以后又可再组装成其它尺寸的刀具，它具有很大的灵活性。