吳付旺，萬熠，李亞男，夏巖，梁西昌，文雯

1山東大學(xué)高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室；2山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；3小松(山東)工程機(jī)械有限公司

1 引言

鏈軌節(jié)是組合式履帶的重要受力和連接部件，廣泛應(yīng)用于挖掘機(jī)、推土機(jī)等履帶式工程機(jī)械[1]。在履帶行走過程中，鏈軌節(jié)要承受機(jī)器的重量和工作負(fù)荷，并受到?jīng)_擊載荷及交變載荷等作用，因此要求鏈軌節(jié)必須具有較高的力學(xué)性能和可靠性[2，3]。

目前通常采用高錳鋼作為鏈軌節(jié)的材料，但由于高錳鋼具有韌性高、加工硬化嚴(yán)重等特點(diǎn)，導(dǎo)致其切削加工性較差[4-6]，尤其采用鏜削方式加工沉孔、深孔等半封閉結(jié)構(gòu)時(shí)，切屑難以折斷和排出，容易纏繞刀具。

針對(duì)難加工材料鏜削加工的斷屑問題，有研究采用超聲橢圓振動(dòng)[7]、軸向振動(dòng)進(jìn)給[8]等斷屑方法，取得了較好的斷屑效果，但這些方法需要設(shè)計(jì)專用機(jī)床或者改造機(jī)床結(jié)構(gòu)，設(shè)備改進(jìn)成本高，不利于推廣應(yīng)用。經(jīng)前期試驗(yàn)，采用帶有斷屑槽的刀片、改變切削參數(shù)以及改變刀片幾何參數(shù)等方法的斷屑效果有限，均無法解決生產(chǎn)工序中的切屑纏繞問題。故嘗試探索一種通過改變機(jī)床加工程序?qū)崿F(xiàn)高錳鋼鏜孔斷屑的方案，并取得了較好的效果。

2 鏈軌節(jié)鏜孔加工工藝

2.1 加工工藝及加工現(xiàn)狀

在研究工序中，需要進(jìn)行鏈軌節(jié)的銷軸孔與銷套孔的加工。銷軸孔結(jié)構(gòu)的一側(cè)為密封圈沉孔，加工后的鏈軌節(jié)零件見圖1。該工序采用鏜孔方式在專用機(jī)床上進(jìn)行加工，機(jī)床兩側(cè)分別布置有兩把鏜刀，工件被裝夾在夾具上，可雙向進(jìn)給移動(dòng)，依次由兩側(cè)刀具進(jìn)行鏜孔加工。加工機(jī)床的刀具及工件布置見圖2。

圖1 加工后的鏈軌節(jié)圖2 刀具及工件布置

如圖3所示，鏈軌節(jié)密封圈沉孔的加工過程中存在切屑纏繞的問題，主要原因是該加工部位為沉孔結(jié)構(gòu)，使得過長的切屑只能從刀桿方向排出，導(dǎo)致切屑易纏繞在刀桿上。纏繞切屑需要人工進(jìn)行清理，增加了勞動(dòng)成本，降低了加工效率，且人工清理切屑存在一定的安全隱患。

圖3 加工后的切屑纏繞

2.2 密封圈沉孔加工難點(diǎn)及問題原因分析

在工件材料特性、工件幾何結(jié)構(gòu)及較大刀桿直徑等多種因素影響下，鏈軌節(jié)密封圈沉孔加工存在切屑難斷及纏繞的問題。產(chǎn)生該問題的原因具體分析如下[9-12]：

(1)高錳鋼的韌性較高，約為45鋼的8倍，使得切屑不易折斷。加工產(chǎn)生的長切屑見圖4。

圖4 加工產(chǎn)生的切屑

(2)高錳鋼加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重。加工前硬度在300HB左右，變形后硬度可達(dá)450～550HB，且高錳鋼導(dǎo)熱系數(shù)低，僅為45鋼的1/4，導(dǎo)致加工時(shí)切削溫度較高，刀具磨損嚴(yán)重，不利于斷屑。

(3)在加工過程中，工件的沉孔結(jié)構(gòu)與刀桿形成半封閉環(huán)境，切屑只能從刀桿方向排出，導(dǎo)致長切屑易纏繞在刀桿上。

(4)高錳鋼加工時(shí)的切削力大，對(duì)刀桿的剛性要求高，故刀桿的直徑較大，刀桿與沉孔之間的縫隙減小，難以順暢排屑。

(5)密封圈沉孔底部的切削余量大，導(dǎo)致加工沉孔底部時(shí)產(chǎn)生的切屑寬度近11mm(見圖5)，增大了斷屑難度。

圖5 切屑寬度

3 間歇進(jìn)給斷屑試驗(yàn)

為了解決鏈軌節(jié)密封圈沉孔加工過程中切屑纏繞刀桿的問題，提出基于工件間歇進(jìn)給原理的斷屑方案，可通過改變機(jī)床的加工程序?qū)崿F(xiàn)。以工件的間歇進(jìn)給次數(shù)為變量，在工件進(jìn)給過程中設(shè)置不同數(shù)量的工件進(jìn)給速度斷點(diǎn)，并進(jìn)行多組對(duì)比試驗(yàn)，研究該方案的斷屑效果。

3.1 試驗(yàn)方案原理

在加工過程中，機(jī)床主軸帶動(dòng)刀具做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工件做軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，鏜孔加工見圖6。根據(jù)切削加工參數(shù)，可得切屑的厚度為

圖6 鏜孔加工

(1)

式中，h為切屑厚度(mm)；f為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量(mm/r)；d為鏜孔加工直徑(mm)。

由式(1)可知，切屑厚度與切削進(jìn)給量和鏜孔加工直徑有關(guān)。當(dāng)進(jìn)給量為0時(shí)，切屑厚度變?yōu)?，可以實(shí)現(xiàn)斷屑。工件正常進(jìn)給時(shí)與進(jìn)給量為0時(shí)的鏜刀刀尖相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡見圖7。

圖7 間歇進(jìn)給方案的刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡

當(dāng)工件正常進(jìn)給時(shí)，刀尖相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋線；當(dāng)工件進(jìn)給速度變?yōu)?時(shí)，刀尖與工件之間沒有軸向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速保持不變，刀具旋轉(zhuǎn)便可將切屑與工件分離。因此，可以通過在加工過程中設(shè)置多個(gè)進(jìn)給速度斷點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)斷屑。在斷點(diǎn)處工件的進(jìn)給速度設(shè)置為0，此時(shí)工件停止進(jìn)給，之后恢復(fù)正常進(jìn)給速度，循環(huán)往復(fù)使得工件間歇進(jìn)給，將切屑分為多段。間歇進(jìn)給斷屑方案的工件進(jìn)給速度變化見圖8。

圖8 間歇進(jìn)給方案中的工件進(jìn)給速度變化

3.2 試驗(yàn)設(shè)備與工件

試驗(yàn)使用PC60兩頭四軸專用鏜床，刀片型號(hào)為三菱TPMN160308，采用干式加工。機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為680r/min，工件進(jìn)給速度為102mm/min。鏈軌節(jié)密封圈沉孔加工用刀具見圖9。

圖9 沉孔加工刀具

鏈軌節(jié)密封圈沉孔工件毛坯見圖10，材料為SMnB3H-1，硬度為285～310HB。加工后的鏈軌節(jié)密封圈沉孔的外徑為60.3mm，通孔直徑為37.8mm，深度為11.6mm，加工完成的沉孔見圖11。

圖10 工件毛坯圖11 加工完成的沉孔

3.3 試驗(yàn)加工程序

試驗(yàn)中的工件進(jìn)給速度可通過改變加工程序進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)工件間歇進(jìn)給。機(jī)床的原加工程序代碼為

O0008

G90 G0 Z213.8 +H20 F15000 (工件快速進(jìn)給至213.8mm，臨近工件處)

G1 Z230.+H20 F102 (230mm處為工件進(jìn)給終點(diǎn)位置)

G4 P0.4

G10 K600

M2 (主軸停轉(zhuǎn))

對(duì)機(jī)床的原加工程序進(jìn)行改進(jìn)，在程序中設(shè)置不同數(shù)量的進(jìn)給速度斷點(diǎn)，速度斷點(diǎn)的位置及工件停頓進(jìn)給的時(shí)間均可進(jìn)行設(shè)置，間歇進(jìn)給試驗(yàn)的機(jī)床加工程序的代碼示例為

O0008/0.4*8

G90 G0 Z213.8 +H20 F15000

G1 Z215.8 +H20 F102 (位置215.8mm處設(shè)置進(jìn)給速度斷點(diǎn))

G4 P0.5 (斷點(diǎn)處，工件停頓進(jìn)給時(shí)間為0.5s)

G1 Z217.8 +H20 F102 (位置217.8mm處設(shè)置進(jìn)給速度斷點(diǎn))

G4 P0.5 (斷點(diǎn)處，工件停頓進(jìn)給時(shí)間為0.5s)

G1 Z219.8 +H20 F102 (位置219.8mm處設(shè)置進(jìn)給速度斷點(diǎn))

G4 P0.5 (斷點(diǎn)處，工件停頓進(jìn)給時(shí)間為0.5s)

………(加工過程中可設(shè)置不同個(gè)數(shù)的進(jìn)給速度斷點(diǎn))

………

G1 Z229.8 +H20 F102 (位置229.8mm處設(shè)置進(jìn)給速度斷點(diǎn))

G4 P0.5 (斷點(diǎn)處，工件停頓進(jìn)給時(shí)間為0.5s)

G1 Z230.+H20 F102 (230mm處為工件進(jìn)給的終點(diǎn)位置)

G4 P0.4

G10 K600

M2

考慮到毛坯鍛造誤差等因素的影響，根據(jù)鏈軌節(jié)的毛坯尺寸，取密封圈沉孔平均加工深度為12mm。在工件進(jìn)給過程中，刀具開始加工時(shí)工件的進(jìn)給位置為218mm，工件進(jìn)給的終點(diǎn)位置為230mm。編制具有不同間歇進(jìn)給次數(shù)的加工程序，將加工程序中的速度斷點(diǎn)數(shù)量從4個(gè)逐漸增加至10個(gè)，且使斷點(diǎn)位置在工件進(jìn)給過程中均勻分布。在不同間歇進(jìn)給次數(shù)程序中，設(shè)置速度斷點(diǎn)處的工件位置坐標(biāo)(見表1)。

表1 不同間歇進(jìn)給次數(shù)程序中的斷點(diǎn)位置

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

使用不同間歇進(jìn)給次數(shù)的加工程序依次進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行5次，試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表可得，通過在程序中設(shè)置工件進(jìn)給速度斷點(diǎn)，可以達(dá)到切屑分段的效果；當(dāng)間歇進(jìn)給達(dá)到一定次數(shù)時(shí)，在加工過程中切屑被斷成數(shù)段，然后被逐段排出沉孔，可避免切屑纏繞在刀桿上。

表2 不同間歇進(jìn)給次數(shù)程序的試驗(yàn)結(jié)果

采用不同間歇進(jìn)給次數(shù)程序加工后的切屑見圖12。當(dāng)間歇進(jìn)給次數(shù)較少時(shí)，每段切屑的長度仍然較大，加工過程中不能順利排出沉孔，加工完成后切屑仍然會(huì)纏繞在一起。工件間歇進(jìn)給次數(shù)為4次和6次時(shí)產(chǎn)生的切屑分別見圖12a和圖12b。

圖12 不同間歇進(jìn)給次數(shù)的試驗(yàn)產(chǎn)生的切屑

可以看出，切屑有多個(gè)斷點(diǎn)并被并分成數(shù)段(線圈標(biāo)注處)，但由于切屑長度較大，加工時(shí)切屑仍相互纏繞在一起，進(jìn)而纏繞在刀具上。隨著間歇進(jìn)給次數(shù)的增加，切屑被分段的數(shù)量增多，其長度也越來越小。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)間隙進(jìn)給次數(shù)達(dá)到8次時(shí)，切屑長度更小，切屑容易從沉孔中排出，加工后切屑基本不會(huì)纏繞在刀桿上，偶爾會(huì)有小段切屑?xì)埩粼诘毒呱?，達(dá)到良好的斷屑效果，切屑大小見圖12c；當(dāng)間歇進(jìn)給次數(shù)為8次時(shí)，與原加工程序相比，間歇進(jìn)給程序增加的時(shí)長為4s，與人工清理切屑花費(fèi)的時(shí)間基本相同，在保持原有加工效率的條件下實(shí)現(xiàn)了斷屑，可降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)安全性；間歇進(jìn)給次數(shù)為10次時(shí)的切屑形狀見圖12d。

5 結(jié)語

為了解決鏈軌節(jié)密封圈沉孔加工的切屑難以折斷和纏繞刀桿的問題，設(shè)計(jì)了基于工件間歇進(jìn)給原理的斷屑方案。通過改進(jìn)加工程序，在工件進(jìn)給過程中設(shè)置一定數(shù)量的速度斷點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)斷屑。試驗(yàn)對(duì)比了不同間歇進(jìn)給次數(shù)加工程序的斷屑效果，結(jié)果表明，隨著間歇進(jìn)給次數(shù)的增加，切屑的分段長度逐漸減小，斷屑效果越來越好。在試驗(yàn)工序中，當(dāng)工件的間歇進(jìn)給次數(shù)達(dá)到8次及以上時(shí)，改進(jìn)程序可取得較好的斷屑效果，切屑長度減小到可以被順利排出沉孔，解決了切屑纏繞刀桿的問題。