液压支架铰接孔切削工艺分析.pdf

收稿日期２０２０年３月液压支架铰接孔切削工艺分析易雷，杨国梁郑州煤矿机械集团股份有限公司摘要通过对比高强度钢板（Ｑ系列结构钢）的材料切削性能、双面镗床的镗轴系统和可转位刀片断屑槽，分析了液压支架铰接孔的切削工艺性，开发了适用于液压支架铰接孔的粗镗刀片。关键词高强度结构钢；材料性能；镗轴系统；大前角刀片；断屑槽中图分类号ＴＧ５０６．７；ＴＨ１６２文献标志码ＢＤＯＩ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－７００８．２０２０．０６．０１３ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣｕｔｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＨｉｎｇｅＨｏｌｅｏｆＨｙｄｒａｕｌｉｃＳｕｐｐｏｒｔＹｉＬｅｉ，ＹａｎｇＧｕｏｌｉａｎｇＡｂｓｔｒａｃｔＳｔａｒｔｉｎｇｆｒｏｍｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｃｕｔｔｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｈｉｇｈ  ｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌｐｌａｔｅ（Ｑｓｅｒｉｅｓｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｅｅｌ），ｔｈｅｂｏｒｉｎｇｓｈａｆｔｓｙｓｔｅｍｏｆｄｏｕｂｌｅ  ｓｉｄｅｄｂｏｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ，ａｎｄｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｃｈｉｐｂｒｅａｋｉｎｇｓｌｏｔｏｆｉｎｄｅｘａｂｌｅｂｌａｄｅ，ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｈｉｎｇｅｈｏｌｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｏａｒｓｅｂｏｒｉｎｇｂｌａｄｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｈｉｎｇｅｈｏｌｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｕｐｐｏｒｔｉｓｅｘｐｌｏｒｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｅｅｌ；ｍａｔｅｒｉａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｂｏｒｉｎｇｓｈａｆｔｓｙｓｔｅｍ；ｌａｒｇｅｒａｋｅａｎｇｌｅｉｎｓｅｒｔ；ｃｈｉｐｂｒｅａｋｉｎｇｓｌｏｔ引言液压支架中的底座、顶梁、掩护梁是大型焊接结构件，通常选用Ｑ４６０、Ｑ５５０、Ｑ６９０等系列高强度钢板，通过火割下料和拼焊成箱体部件，其主要加工工序为镗孔（铰接孔）加工［１］。铰接孔的加工效率和质量直接影响到液压支架的装配进度和使用性能。大型焊接结构件外形尺寸大、吨位重，定位困难，加工材料切削性差，加工余量大，打刀严重，制约了产品效率的提高，因此镗削铰接孔时采用高效可转位刀具成为重要的工艺手段和技术措施。性能分析（１）被加工材料切削性Ｑ４６０、Ｑ５５０和Ｑ６９０系列钢板是高强度低合金钢（ＨＢ２２０～２８０），因其具有良好的焊接性能（钢材碳当量低），广泛应用于大型焊接件中，其受力强度大于４６０ＭＰａ会发生塑性变形，抗拉强度高，在切削中不易断屑。材料被切削成形时会变硬，材料较高的屈服应力和加工硬化，使其流动应力大幅增加。因此，回弹、起皱、工件尺寸不稳定、铁屑打刀崩刃等成为高强度钢切削过程中的问题焦点，而减小切削力是改变金属流动和减小摩擦的有效措施。（２）镗轴系统刚性生产现场使用自伸缩式的双面镗床主轴，随着程序进给的设定，镗轴自动深入内孔进行镗削，如要平稳切削，需使电机输出足够的扭矩和转速（扭矩和转速成反比关系），而在镗轴转速一定的情况下，镗轴伸出量越长，扭矩损失越大，严重时将造成刀片无法正常切削，机床齿轮箱振动异常。加工内主筋孔时常会出现上述情况。根据镗削加工经验，钢制镗杆可以保证４倍镗杆（直径１３０ｍｍ）内孔加工质量（即孔深≤５２０ｍｍ），如使用过渡接杆，镗削系统弯曲挠度变形趋势会继续加大。双面镗主要加工工件为顶梁、掩护梁和底座铰接孔，镗孔深度６００～１０００ｍｍ，保证镗孔高效生产难度较大［２］；由于镗孔深度≥６００ｍｍ，主轴长时间在悬臂较大的工况下工作，主轴与轴承磨损较快，造成主轴与轴承磨损间隙较大。镗削主轴＋过渡刀杆＋镗刀杆三段镗削系统刚度低、稳定性较差，镗孔时易产生振动，刀具磨损加剧，造成镗孔表面粗糙度超差。通过被加工材料和镗床工况的分析与观察，需要锋利且能够实现大切深加工的可转位刀片来弥补镗轴刚性不足及扭矩的损失进行高效生产（见图１）。３大前角大切深可转位硬质合金刀片的可行性分析高强度钢板的屈服强度高、韧性好，加工硬化弹５５２０２０年第５４卷Ｎｏ．６性回复趋势大，类似于双相不锈钢的切削性能，同时镗床系统刚性差，扭矩损耗严重，工件加工余量大（单边５ｍｍ切削量），铁屑易打刀，还需保障生产的高效性（单位时间内金属去除量高）。图１液压支架底座镗孔为适应上述工况要求，硬质合金可转位刀片的应用原则应满足以下条件刀片需具有大的正前角（２５～３０）和后角（１１），能正常平稳切削；配备断屑槽，实现稳定断屑；刃口负倒棱０．３ｍｍ２５，刀尖圆弧半径Ｒ０．４～０．６ｍｍ；刀片厚度大于６ｍｍ，有效刃长大于１５ｍｍ；选用耐高温的ＰＶＤ涂层。采用转速１８０ｒ／ｍｉｎ、进给量０．２５ｍｍ／ｒ、切削深度５ｍｍ的切削参数，通过多次试切发现，标准刀片不能满足正常生产要求，根据理论计算和生产实际工况，利用旧刀片设计开发适用于实际工况的大前角、大切削深度的非标可转位刀片（见图２）。图２刀片开发流程刀片有３个切削刃，厚度６．３５ｍｍ，有效刃长１３．５ｍｍ，内切圆直径公差０．０５ｍｍ，标准螺钉装夹拆卸方便无需频繁对刀，采用巴尔查斯ＰＶＤ氮铝钛涂层（适合干切削），刀杆表面镀镍处理，螺钉为标准件。在试切研制过程中，借鉴两种槽型结构，即直线＋圆弧型式和全圆弧型式（见图３和图４）。经试切过程对比发现，直线＋圆弧槽型和全圆弧槽型都能实现平稳切削，刃口均有倒棱，直线＋圆弧槽型的刀尖契角大于全圆弧槽刀尖契角，即直线＋圆弧槽型刀尖刃口抗崩性优于全圆弧槽型，但断屑性能一般，通过调试机床进给率和改善刃口倒棱角度宽度，效果均不明显。原因是由于工件余量大（单边５ｍｍ），切屑厚度和宽度大，材料加工硬化趋势加大，形成的长切屑易缠刀，划伤内孔表面，有飞散趋势，不利于安全生产。切屑形态见图４。全圆弧槽型刀尖契角小，抗崩性差，但前角比直线＋圆弧槽型前角大６，后角为１１，刀片锋利，刃口倒棱可以弥补刀尖契角小的缺陷，有效避免切屑、夹渣对刃口冲击的影响。全圆弧槽型的槽宽、槽底圆弧半径大于直线＋圆弧槽型，具有足够的容屑卷曲空间，在同等切削参数下，切屑的流出、卷曲、折断等断屑性能优于直线＋圆弧槽型，刃口抗崩性方面稍显不足，但仍可满足生产需求［３］。（ａ）直线＋圆弧槽型（ｂ）全圆弧槽型图３槽型结构（ａ）直线＋圆弧槽切除的铁屑（ｂ）全圆弧槽切除的铁屑图４切屑形态结语从加工材料、机床镗削系统等方面分析了液压支架铰接孔在镗削过程中的不利因素，设计研发了大前角大切深的非标可转位刀片，通过切削对比试验，大前角全圆弧槽型＋刃口倒棱结构适用于实际生产工况，降低了操作强度，提高了生产效率，对其它高强度钢板焊接箱体结构件的切削加工具有一定参考意义。６５工具技术参考文献［１］毛莹晶，刘贵强．液压支架掩护梁镗孔加工工艺的研究［Ｊ］．机械工程与自动化，２０１０（４）１１３－１１４．［２］吴国华．金属切削机床［Ｍ］．北京机械工业出版社，２００６．［３］陈日曜．金属切削原理（第２版）［Ｍ］．北京机械工业出版社，２００２．第一作者易雷，工程师，郑州煤矿机械集团股份有限公司技术工艺部，４５００５３郑州市ＦｉｒｓｔＡｕｔｈｏｒＹｉＬｅｉ，Ｅｎｇｉｎｅｅｒ，ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＣｏａｌＭｉｎｉｎｇＭａｃｈｉｎｅｒｙ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｅｎｇ  ｚｈｏｕ４５００５３，Ｃｈｉｎａ收稿日期２０１９年１０月石油套管车削切屑缠绕问题的改进韩盼望１，王林２，李代刚２，刘洪２，梅译丹２，李孔军２１达力普石油专用管有限公司；２成都工具研究所有限公司摘要在ＡＰＩ标准螺纹加工中使用成型梳刀，属于成形加工。切屑在管体高速旋转过程中容易在螺纹表面缠绕，从而造成已加工螺纹表面的划伤和成型梳刀刃崩缺，严重影响螺纹加工的质量和效率。从加工机床、原材料、加工方法等方面进行分析，并根据分析结果对刀具齿形结构和各齿形切削分配负荷进行再优化设计。在数控车丝机床进行多次试验后，得出合理的齿形结构设计。刀具的断排屑效果明显提升，划伤不合格率由０．８１％降至０  ４％，生产效率也同步提升。关键词石油套管；梳刀；断屑器；切屑缠绕；切屑卷曲应变；临界断裂应变中图分类号ＴＧ１１５；ＴＧ６１；ＴＨ１６１．３文献标志码ＢＤＯＩ１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－７００８．２０２０．０６．０１４ＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆＣｈｉｐＷｉｎｄｉｎｇｏｎＯｉｌＣａｓｉｎｇＰｉｐｅＣｕｔｔｉｎｇＨａｎＰａｎｗａｎｇ，ＷａｎｇＬｉｎ，ＬｉＤａｉｇａｎｇ，ＬｉｕＨｏｎｇ，ＭｅｉＹｉｄａｎ，ＬｉＫｏｎｇｊｕｎＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆＡＰＩｓｔａｎｄａｒｄｔｈｒｅａｄ，ｄｕｅｔｏｔｈｅｕｓｅｏｆｍｏｌｄｉｎｇｃｏｍｂｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｉｔｂｅｌｏｎｇｓｔｏｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｃｈｉｐｉｓｅａｓｙｔｏｗｉｎｄｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｒｅａｄｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈｉｇｈ  ｓｐｅｅｄｒｏｔａｔｉｏｎｏｆｐｉｐｅｂｏｄｙ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｓｃｒａｔｃｈｅｓｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｐｒｏｃｅｓｓｅｄｔｈｒｅａｄａｎｄｔｈｅｂｌａｄｅｏｆｍｏｌｄｉｎｇｃｏｍｂｉｓｍｉｓｓｉｎｇ，ｗｈｉｃｈｓｅｒｉｏｕｓｌｙａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｑｕａｌｉｔｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｒｅａｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｔｈｅｔｕｂｅｍａｃｈｉｎｅ，ｒａｗｍａｔｅｒｉａｌ，ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｎａｌ  ｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｕｔｔｅｒｔｏｏｔｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｏｏｔｈｃｕｔｔｉｎｇｌｏａｄａｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｅｓｉｌｋｍａｃｈｉｎｅｔｅｓｔｓａｒｅｄｏｎｅｍａｎｙｔｉｍｅｓｗｉｔｈｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｃａｒｔｏｇｅｔｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｏｏｔｈｐｒｏｆｉｌｅｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｂｒｅａｋｉｎｇｃｈｉｐｒｅｍｏｖａｌｏｆｃｕｔｔｅｒｉｓｐｒｏｍｏｔｅｄ，ｔｈｅｃｕｔｆｒａｃｔｉｏｎｄｅｆｅｃｔｉｖｅｉｓｒｅｄｕｃｅｄｆｒｏｍ０．８１％ｔｏ０．４％，ｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉ  ｃｉｅｎｃｙｉｓａｌｓｏｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｏｉｌｃａｓｉｎｇｐｉｐｅ；ｃｏｍｂ；ｃｈｉｐｂｒｅａｋｅｒ；ｃｈｉｐｗｉｎｄｉｎｇ；ｃｈｉｐｃｕｒｌｓｔｒａｉｎ；ｃｒｉｔｉｃａｌｆｒａｃｔｕｒｅｓｔｒａｉｎ引言切屑是指切削加工过程中被切除的多余毛坯材料，不同形态的切屑断裂方式不同，对工件表面质量的影响也不同。在管螺纹加工过程中，由于工件的高速旋转和螺纹切屑的缠绕，常在已加工螺纹表面出现螺纹表面划伤和刀片崩刃等问题，影响螺纹加工表面质量，增加梳刀消耗成本，且需人工去除切屑，严重影响加工效率。通过对加工机床、原材料、加工方法等方面的分析研究，进行刀具结构的优化设计，解决螺纹加工中的断屑和排屑问题。试验方法及原理对车削运动进行分析可知，影响切削过程断屑方式的参数主要有机床本身、工件材料及刀具。本试验的独立试验因素为刀具。为了系统研究切屑缠绕问题，对刀具结构进行研究，固化其它的影响参数，设计切屑分布参数单因素试验。采用梳齿刀片在石油套管上进行加工试验，并检测刀具的断排屑效果和工件的划伤不合格率。由断裂原理可知，金属的断裂条件为Ｅｆ≥Ｅｆｃ（１）式中，Ｅｆ为切屑卷曲应变；Ｅｆｃ为临界断裂应变。在塑性金属加工过程中，由于切屑向上卷曲和７５２０２０年第５４卷Ｎｏ．６