某公司加工的差速器壳体是4种型号外形相似、尺寸略有差异的零件族产品，应某型差速器功能性要求，差速器壳体的材料为球墨铸铁QT600-3，其各项特性中等，具有综合性能较高，耐磨性、减振性及其铸造工艺性能良好的特点。加工壳体十字孔的铰孔刀具 是一种刀片与刀柄组合式的硬质合金铰刀，此种铰刀制造复杂且需要配合相应的刀柄使用，价格昂贵，这使得单件加工成本较高。同时各型号工件十字轴孔外包络的材料壁厚不同，不同壁厚的十字轴孔在加工过程中不可避免有不同程度的孔缩现象。所以在刀具尺寸合理的前提下，必须严格控制刀具寿命，通过对铰刀尺寸设计与使用寿命进行探究，从而使得刀具达到使用的最佳状态。
一、壳体十字孔加工工艺
图 1 所示为差速器壳体的工艺图样，车铣复合中心加工十字孔共3道工序， 分别是粗镗、半精镗、铰孔。铰削4个十字轴孔为最后一道工序，其尺寸及精度要求为：十字孔直径为φ40 mm，公差等级为P7，表面粗糙度为Rz16 μm，目前使用的切削参数如表1所示。
二、铰刀的参数选用与寿命设计
几何参数设计
加工现场铰孔使用了HORN的DR.044.040 00. P7.A1.HL3H铰刀片，刀具材质为 HL3H、材料属性HC，为提高刀具的耐高温、高耐磨和抗冲击的性能，此刀片使用了AlCrN涂层，其在经干喷砂的前处理工艺后的切削性能较好，刀片具体信息如图2所示。
刀具角度的选择直接影响加工精度及加工的稳定性。根据铰刀的参数选取经验与新式铰刀选型表，确定铰刀的几何参数，如表2所示。
此外，依据铰刀直径设计的基本原理，根据GB/T 4246—2004与φ40H7 mm的公差值确定了铰刀的直径范围为39.949～ 39.979 mm。由于刀具磨损会减小铰刀直径尺寸 ，建议的铰刀设计值尽可能地接近十字孔的上差，因此铰刀尺寸选择为(39.978±0.003)mm，这样对于孔的加工要求较稳定，孔径在中差以上，对于实际装配有足够的保证，但过于接近上差的设计值会带来诸多不良影响，若切削用量不够准确，如当刀具使用后期存在积削瘤的累积或者刀刃磨损后，很可能在短时间内发生孔径超差、粗糙度不稳定、刀具寿命缩短等问题。
铰刀寿命设计
从企业生产的角度出发，刀具寿命要考虑加工成本，其使用寿命就要寻求以工序成本最低为目标，即最大利润使用寿命Tp 为
式中：Ct 为磨刀费用(包括刀具成本及折旧费);M为工时费;tct为一次换刀所消耗的时间;m为指数，表示对Tp的影响程度，硬质合金刀具m取0.2～0.3。
按照加工现场的实测数据进行计算，磨刀费用Ct 设置在4000元，工时费M是包括实际的操作者的薪酬以及分摊到机床上的一些管理费等其他费用;在更换铰刀时，需要用千分表测试铰刀安装跳动值，所以一次换刀消耗的时间tct一般在20 min左右，则计算铰刀的设计寿命应该不少于233 min。而差速器壳体十字孔深为50 mm，单孔加工时间为0.077 min，最终折算铰刀的加工总长度为不少于152 m。
三、加工分析与改进试验
加工分析试验
实验前选取近期加工过程最稳定且刀具使用寿命最长的227型号工件，通过全自动在线综合量仪采集加工孔径数据，得到了原有切削参数下铰刀全寿命状态孔径变化图(如图3)，变化图的初始阶段加工尺寸有明显的扩大现象，然后孔径尺寸逐渐减小趋于平稳;第二阶段刀具处于加工稳定期，孔径尺寸基本介于39.972～39.978 mm的范围内;第三阶段孔径逐渐变大最终超差，铰刀寿命期加工长度接近500 件，加工总长度不超过100 m。分析刀具全寿命周期的变化情况，初始阶段一般情况下刀具较为锋利，刀具直径接近上差，而后受安装跳动的影响，铰刀会向孔心方向磨损并趋于稳定，图3中初始阶段曲线下降缓慢，明显表现出的是刀具安装跳动偏大。第三阶段随着刀具的磨损，刀具的切削刃出现了较严重的局部磨损，所以刀刃的切削点会向下偏移，或者存在积屑瘤等问题，刀具非正常切削，摩擦力增大，使得工件孔径变大。
按照技术人员总结的经验以及查阅相关资料，对于孔径较大等问题，一般性的结论主要是铰刀外径尺寸偏大，进给量不当造成的。依据对图3的刀具快速失效变化趋势，有两个重要的方向需进行试验分析，即铰刀几何参数和切削参数。
刀具直径兼容性分析
首先应该研究降低铰刀的直径尺寸，使直径减小后的铰刀依然能够兼容4种壳体十字孔的加工。为了使试验数据更准确且尽可能地消除与试验不相关因素，必须保证加工的过程能力是稳定的。过程能力指数Cpk≥1.33是评价稳定性的一级指标，本次抽取近期班产对应不同种型号工件各30件，孔径数据如图4所示，通过MINITAB 17软件进行的过程能力指数测算结果均满足试验要求，结果如图5所示。
对30件工件做孔径数据统计，整理出各工件型号的每个工件中4个十字轴孔的平均值曲线，曲线图展示了不同壁厚的壳体的收缩值有所不同。把不同型号的30件产品的孔径数据求出4个平均值后，对 4 个平均值再取平均，最终得到孔径值为39.976 mm。此时，30件产品中孔径壁厚最薄的229工件加工的上限值为39.984 mm，而孔径壁厚最厚的232工件加工的下限值为39.966 mm，所以铰刀直径尺寸有4～6 μm的空间，如果直径尺寸直接降低6 μm，也能够保证孔径的均值在中差位置，但有可能会使232工件更接近下差，为保险起见将铰刀直径降低4 μm，由原来39.978 mm改为39.974 mm。
刀具切削参数分析
如图 6所示，在铰刀磨损较严重的后期阶段出现了十字孔由内向外划痕逐渐加深现象，造成孔壁划痕最直接的原因是积屑瘤问题。要抑制积屑瘤形成或者降低其大小主要考虑控制切削速度、降低进给量、增大刀具角度及使用润滑性较好的切削液等。在切削用量与刀具使用寿命的关系表达式中表明，切削速度对刀具使用寿命影响最大，进给量次之，背吃刀量影响最小。由于实际加工中，半精镗工序已经确定了铰刀的加工余量，最快捷的方法是从降低进给量的方向考虑。
在其他参数不变的情况下，分若干组进行纵向对比试验，每组试验进给量在原有参数的基础上降低0.01 mm并核算刀具寿命。目前厂家推荐进给量为每齿0.15 mm，根据切削参数，查找《机械加工工艺师手册》，通过切削速度公式可以反求出相应的刀具寿命，表3为相关系数与指数的取值。
式中：d0为铰刀直径;xv、yv、zv、m为指数，表示对寿命的影响程度;kv为与刀具耐用度有关的系数;T为铰刀寿命。
如图7所示，在进行了3次实验后，即进给量为每齿0.12 mm的情况下，划痕消失，积屑瘤最小，核算刀具寿命期内能加工760件，折算成加工长度接近152 m。
切削液对铰刀寿命的影响
硬质合金铰刀铰削高精度的铸铁孔并不容易，需要配合切削液使用。切削液在加工过程中，冷却与润滑对刀具寿命有显著的作用。按照新式铰刀的内冷要求，铰削加工时的切削液浓度配比应该选择8.5%左右，切削液压力范围在3～10 MPa之间，受目前加工机床的限制，切削液压力值只能设置在1.5 MPa左右。切削液压力小于3 MPa，对刀具寿命的提高并不明显，切屑控制没有太大改善;加工现场使用的切削液为嘉实多Hysol SL 35 XBB，是高性能半合成金属切削液，主要成分为矿物油、乳化剂和其他添加剂，适用于铸铁材料的各种加工方法，对于一般的加工方法，推荐的添加浓度范围为5%～10%。加工现场实际使用浓度一般取中间值7%～8%左右，为了弥补在切削液压力不能满足要求的情况下，切削液浓度需得到保证。
改进试验验证与结果分析
对比试验过程
更换试验用刀前，要分别对两台机床半精镗后的孔径进行确认，并在更换39.974 mm铰刀后检验跳动值，两台机床均控制在2 μm以内。试验设置对照组，选择壳体壁厚较大的227型和232型产品进行试验，由于232型产品壁厚最大，先对其进行测试，使孔径公差下限得以验证;待加工500件左右更换227型产品。OP30-1机床保留原有进给量(每齿0.15 mm)，OP30-2机床进给量改为每齿0.12 mm。切削液浓度值在OP30-1机床保留当前使用范围(7%～8%)，OP30-2机床提高推荐浓度最大值为10%。调试完成后，正常进行每日的加工任务，跟踪连续生产。
试验结果分析
使用全自动在线综合量仪采集对比试验数据，将测试的孔径尺寸按照孔1～孔4顺序排列，得到优化后的切削参数下铰刀全寿命状态孔径变化并做出了趋势曲线，如图8、图9所示。图中的横坐标为加工十字孔的数量，纵坐标为孔径尺寸;图8与图9中的灰色折线分别为两台机床的铰孔直径数据全寿命统计值，黑色折线为对应的平均趋势曲线。
通过横纵综合试验比较得出：
1) 在严格控制刀具安装跳动值后，有了明显改善 ，大约在加工20个工件左右，铰刀就结束了快速磨损期趋于稳定状态。
2)对比图4与图8的数据统计曲线图不难看出，两种工件与最初抽取的30件数据中的孔径值有所降低;对比改进后的铰刀加工的工件，通过对图4的4种工件加工直径的变化区间与图8、图9 的尺寸区间段比较可以得出，更改刀具设计值后的227型与232 型号产品在稳定期的孔径区间均下降了4～5 μm，离公差下限还存有一定尺寸量，能够保证兼容加工4种型号的壳体十字孔。
3)对比图8与图9曲线图，进给量由每齿0.15 mm改为每齿 0.12 mm后，刀具寿命提高的效果十分显著;如图8所示，以进给量每齿0.12 mm加工孔数为2796个(674件)，刀具失效表现为粗糙度超差(Rz15.716 μm)，同时抽取了OP30-2的加工工件粗糙度，其数值相对稳定(Rz10.125 μm)，最终加工孔数为3864个(966件)。并且在现场实际观察，孔内划痕完全消除。
4)对比图8与图9，OP30-2机床在加工稳定期的孔径尺寸区间较小，即切削液浓度高的一组明显比浓度低的一组的孔径尺寸更加稳定。
综上分析，优化后的加工参数与铰刀使用条件，比原有状态下刀具寿命增加近1倍，降低了刀具使用成本。
四、结论
通过差速器壳体加工现场的实际考察并结合差速器壳体的加工工艺，对刀具寿命进行重新核对;根据铰刀的参数选取的经验与新式铰刀选型表，确定合理的刀具几何参数;在原有切削参数状态下，通过对比试验，分析了刀具寿命偏低的主要因素，确定了影响刀具寿命及加工质量的原因后，运用单一因素法进行横纵综合对比试验验证，确定了刀具直径为39.974 mm、进给量为每齿0.12 mm、切削液浓度值在10%时的刀具使用寿命最长，加工孔数达到了3864个，折算成加工长度为193.2 m，且加工过程更加稳定。
参考文献略.