差速器壳体内球面的车削加工及刀具设计

图1 差速器壳体产品图

图1 所示差速器壳体是一拖公司生产的意大利FIAT引进产品和30～40马力小轮拖拉机的重要部件之一，工件材质为球墨铸铁。产品尺寸公差要求：上偏差为+0.25mm，下偏差为0，相对于基准的位置度公差为f0.03mm；表面粗糙度要求为R_a1.6µm。差速器壳体内球面的加工难度较高。根据差速器使用性能要求，为保证壳体尺寸及位置度的加工精度，我们设计了采用镶齿结构的内球面锪钻及其辅具（锪内球面定程刀杆装置)。但是，球面锪钻的制造及刃磨难度较大，且刀具磨损后对刀齿每进行一次刃磨，刀齿上各点与被加工面上对应点的位置关系都要发生变化，从而直接影响内球面加工质量，由于球面锪钻刃磨后加工零件的位置度误差常常大于f0.2mm，因此难以完全满足加工要求。此外，锪内球面加工方法对夹具要求较高，需要配置定程装置来控制刀具进给，从而使夹具的设计、制造复杂化。为解决这一问题，我们根据产品特点对工艺方案进行了反复研究，决定采用在S1-325数控机床上用差补车削方法替代锪内球面加工方法来实现差速器壳体内球面的加工，并设计了专用机夹可转位车刀。

1 刀具设计思路与特点

机夹可转位车刀是将具有合理几何形状和切削刃的成品可转位刀片通过机械夹固方法装配在刀杆上，当一条切削刃加工磨损至不能再用时，可通过转位迅速更换新的切削刃。采用机夹可转位车刀进行加工具有以下特点：

刀具几何参数和切削性能稳定，定位精度和重复精度较高，可保证刀尖位置变化在工件精度允许范围内以及加工精度的一致性。
刀片夹紧可靠，在切削力冲击、振动及切削热作用下不易松动。刀具寿命长，无需刃磨，操作简便，可缩短停机换刀等辅助工时。
刀杆转位方便、快捷，并可反复使用，使用寿命长，可减少库存量，简化刀具管理。
机夹可转位车刀设计前角g=-4°，刃倾角l=-4°，切削刃具有足够强度，可承受较大切削力冲击，避免刀尖崩刃。
可转位车刀片选用菱形国标通用刀片，可保证切削过程中自动卷屑及曲线加工的平稳性，且易于实现刀具标准化、系列化，适合自动化生产中的仿形车削。
刀具采用螺销压紧式结构，螺钉通过刀片沉孔夹紧刀片，结构简单，零件少，定位精度高，刀刃转位重复精度高，容屑空间大。
根据被加工材料特点，并考虑切削过程中刀刃的磨损，采用TiC+Al₂O₃+TiN复合涂层刀片。这种刀片可减小切屑与刀具的摩擦，在切削高温下仍可保持高硬度及良好的抗氧化性，从而可提高刀片使用寿命，降低零件表面粗糙度。此外，采用我公司研制的热处理新工艺在TiC基硬质合金中添加TiN，可显著提高刀片的导热性和抗崩刃性，在微量切削及表面精度要求较高的切削加工中可充分发挥TiC基硬质合金的性能优势。

2 刀具设计方法

需加工的差速器壳体内球面尺寸分别为S=f138.5mm、f124mm、f161mm。工件材料：球墨铸铁GH45-33-15(芯部硬度HB150～190)。加工精度要求：相对于基准的位置度公差为f0.03mm，表面粗糙度R_a1.6µm。切削用量：切削速度v_c=2m/s，进给量f=0.4mm/r，切削深度a_p=3mm。加工机床：S1-325型数控机床。

刀具设计步骤如下：

根据被加工零件材质及加工要求，刀片材料选用YG6硬质合金基体的新型复合涂层(TiC+Al₂O₃+TiN)刀片。
根据被加工零件特点及切削参数，刀片紧固形式设计为螺销压孔式结构。
可转位刀片型式选用菱形国标通用刀片，刀尖角为55°，法向后角为7°，单面有V型断屑槽，刀片厚度S=3.97，刀尖圆角半径r_e=0.4±0.1mm；根据加工精度要求，刀片精度选用M级。确定可转位刀片型号为DCMT11T304-V1。
刀片切削刃长度S_a=a_p/sink_rcosl=3/sin62.5°cos-4°=3.39mm；粗车时应满足切削刃长度L≥1.5S_a=5.086mm，所选刀片的主切削刃边长L≈11.6mm，可满足切削要求。
　

图2 机夹可转位车刀刀头
车刀刀杆槽的几何角度设计

已知参数：刀片法向后角a_nb=7°，刀片刃倾角l_sb=0°；车刀的独立角度k_r=62.5°，l_s=4°，预选后角a_o=4°；刀杆槽主偏角k_rg=k_r=62.5°，刀杆槽刃倾角l_sg=l_s=-4°。则刀杆槽前角g_og可按下式计算：

tang_og=(tana_nb-a₀/cosl_s)/1+tana_nbtana_o/cosl_s)cosl_sg=0.052364957
可得a_og=2.9975528°，取a_og=3°。

验算车刀后角a_o：

arctan(tana_nb-tana_ogcosl_sg)cosl_s/(1+tana_nbg_ogcosl_sg)=0.06992572

可得a_o=3.99°，与预选后角a_o=4°接近，表明预选后角值合理。

确定可转位车刀刀杆与刀夹联结方式：根据机床型号及中心高，为增加刀杆强度，刀杆截面尺寸设计为不等截面，装刀刀夹与刀杆通过楔面自锁联结，可使刀具装卸快捷、准确、可靠。

设计的机夹可转位车刀刀头如图2所示。

采用机夹可转位车削方法替代原球面锪钻加工方法后，不需制造专用夹具，在数控机床上一次装夹即可完成差速器壳体内球面的加工。由于减少了换刀等辅助工时，提高了数控机床的加工效率，刀具无需刃磨，耐用度提高，使生产效率提高2倍，刀具成本降低75%。由于避免了原加工方法因刀具重磨带来的加工误差，产品质量也得到有效保证。