304不锈钢吊装门五金连接件铣削加工工艺分析
摘要：本文介绍了校企合作生产中，在加工中心机床上批量加工304不锈钢零件的工艺过程，分析和总结了不锈钢吊装门零件铣削加工工艺。
关键词：不锈钢加工 工艺分析 装夹
前言
铣削加工不锈钢零件，按不锈钢种类的不同，加工中会出现不同的问题，但所有的不锈钢加工均存在加工硬化严重、积屑瘤和切屑容易粘附等弊端，需要根据实际加工条件，合理确定加工工艺，以保证加工质量和经济性要求。学院实训中心在2012年11月左右，与合作企业签订一批不锈钢吊装门零件外贸订单生产业务，零件材质为304不锈钢，对方提供锻打毛坯，需要加工数量为2万件。零件图如图1。
图1 不锈钢吊装门五金连接件
一、零件分析
零件功能分析：该零件为吊装门五金连接件，其作用是与其它零件装配后固定吊装门。要求在满足零件功能前提下，外表美观、无明显缺陷。
生产类型分析：该零件加工数量为2万件，属于批量生产类型，材质为304不锈钢，毛坯料为锻打件。因为是外贸订单，对零件质量和交货期有较高要求。
零件结构特征分析：需要加工结构为M26×1 、M8螺纹孔、双圆头通孔、Ø12沉孔、Ø3.6通孔、3×Ø5通孔等。
零件加工技术要求分析：根据该零件的功能特点，其加工技术要求为表面应无划痕、夹伤等影响外观缺陷，加工结构需要具有一定的对称度，以确保不锈钢五金件外形美观要求；螺纹结构需要与其它螺纹连接件旋合，所以应确保螺纹结构牙型完整、深度足够；各种不同结构和直径的通孔为其它结构件通过孔，需要保证孔径实际尺寸必须大于等于基本尺寸；3×Ø5通孔还应保证均布等位置要求；为保证与其配合的其它零件能够正常装配，各加工结构之间相对位置尺寸应保证在±0.1mm以内；所有加工部位不能出现毛刺、锐角等缺陷，以确保使用安全。
二、加工工艺分析
该零件外形为板条型结构，需要在不同部位加工双圆头槽、通孔、沉孔、均布孔、螺纹等结构；该零件加工数量为2万件，数量较大；对加工质量和交货期有较高要求，因此，根据该零件结构特点和生产类型，选择在加工中心机床上加工。
由于该零件可以在一面完成所有结构加工，为保证零件各加工部位的对称度要求；减少工件装夹辅助时间，提高加工效率，采用一次性装夹加工完所有结构。
该零件为批量生产，且为较难加工的304不锈钢材料，提高加工效率是降低生成成本，提高经济性的重要手段，因此，首先要考虑生产效率问题。如在加工中心上进行一次单件加工，考虑工件装夹时间、频繁换刀时间等因素，显然不能达到较高的生产效率。为减少工件装夹时间和减少频繁换刀，适宜采用多件一次性装夹加工工艺，在机床工作行程允许的前提下，尽可能一次性装夹多个工件，相同结构在一次换刀后全部加工完成，以降低单件工件装夹和换刀辅助时间。
双圆头槽、沉孔、螺纹底孔采用立铣刀加工；钻Ø3.6通孔、3×Ø5通孔时，由于毛坯表面光滑，麻花钻难以定心，需要采用中心钻定位后，再分别钻孔加工；孔口倒角用45°倒角刀加工，以便去除锐边和毛刺；螺纹底孔孔口倒角后，螺纹结构采用螺纹铣刀铣削加工。
三、装夹工艺选择
根据加工工艺分析，为确保一次性尽可能装夹多个毛坯，需要对夹具进行设计。由于该零件非长期生产，因此，在保证装夹要求的前提下，要尽量减少夹具设计和制造成本。
采用废旧钢材市场存放多年的废旧板材作为夹具原材料，一方面由于板材露天存放时间久远，其内应力较少，可减少加工后夹具体变形，同时，成本低廉。夹具体零件图如图2所示。
图2 夹具
为保证装夹精度，夹具背面加工后，调面安装在加工中心机床工作台上，对零件毛坯安装的正面进行粗、精加工，对安装接触面要进行去毛刺倒角处理，正面加工后不再从机床工作台拆卸下来。工件夹紧装置采用压板机构，确保夹紧状态安全可靠，拆装快捷。
四、加工路线选择
由于该零件难加工结构为三处M26×1螺纹孔，由于304不锈钢材质硬度高、韧性大，导致螺纹加工时间长，且由于刀具磨损，容易出现加工出的螺纹结构达不到质量要求的情况，而导致零件整体报废，因此需要首先加工螺纹孔；螺纹底孔孔径较大、深度较深，金属切削量大，需要采用较大直径刀具加工，以提高金属切除率；螺纹加工前需要在底孔孔口倒角，然后铣削螺纹，其它孔需要在加工完成后进行倒角，因此，需要两次倒角加工；不锈钢表面光滑，麻花钻在钻孔前需要有定位孔，以防止孔钻偏斜，导致位置度误差或折断钻头。综合以上分析，零件加工路线为：
第一道工序采用大直径立铣刀加工三处螺纹底孔；第二道工序采用45°倒角刀对螺纹底孔孔口倒角；第三道工序采用螺纹铣刀铣削螺纹；第四道工序采用立铣刀加工Ø12沉孔、M8螺纹底孔和两处双圆头通孔；第五道工序采用中心钻钻3×Ø5、Ø3.6定位孔；第六道工序钻Ø3.6通孔；第七道工序钻3×Ø5通孔；第八道工序采用45°倒角刀对沉孔、双圆头槽、均布孔等处倒角加工；第九道工序采用机用丝锥加工M8螺纹。
铣螺纹工序加工路线按照逐件铣削加工、往复路线，以避免由于刀片磨损而导致多件返工问题。如图3所示。
图3 加工路线
其它每一道工序加工路线依据最短原则，采用往复路线依次进行加工，以减少空刀行程和时间。尽量减少抬刀高度，抬刀高度以横向移动不与夹紧装置干涉即可。所有立铣刀采用螺旋下刀切入工件，螺纹底孔铣削时要切向切入和切出。
五、刀具选择
加工304不锈钢时，由于材质硬度高韧性大，因此，对刀具切削部分的几何角度，特别是刀具的前角、后角要选择适当。一般采用较大的刀具前角，增大前角可减小切屑流出过程中所遇到的阻力，后角则不宜过小，否则容易使工件表面产生摩擦，使加工表面粗糙度变差，同时加速刀具磨损，刀具后角也不宜过大，否则刀头楔角减小，降低了切削刃的强度，容易发生崩刃现象。
由于切削力大，故刀杆必须具备足够的强度和刚性，在装夹刀具时要尽量减少悬伸长度，以免在切削过程中由于刚性不足而发生颤振和变形，而影响刀具使用寿命和零件加工表面质量。
在选用刀具时除考虑加工效率和加工质量以外，还必须要考虑刀具成本，立足现有条件，以减少刀具损耗题，提高经济性。
第一道工序采用大直径立铣刀加工螺纹底孔。经过对比试验，采用Ø20通用整体硬质合金刀具，虽然能够提高切削速度，但由于刀具前、后角度不适合，易发生崩刃现象，导致刀具成本提高，而采用Ø20高速钢键槽铣刀，显著延长了刀具使用周期，特别是不易崩刃，即使磨损后，也可以很容易地在现有小型万能磨刀机上进行修磨，显著降低了刀具成本。因粗加工切削力大，底孔尺寸不稳定，需留余量进行精加工，以保证后续螺纹铣削加工质量。
由于45°倒角刀切削量小，磨损少，故选用普通高速钢材质刀具即可。
该零件螺纹加工时间约占用总切削时间的50%左右，为提高加工螺纹效率，原来选用螺纹丝锥和螺纹梳刀加工，都不能正常加工出合格螺纹。主要是304不锈钢材质硬度大、韧性强特点，由于以上两种刀具一次切削深度大，导致切削力大，排屑不畅易粘刀，螺纹变形严重。针对以上情况分析，后对螺纹铣刀具改进，选用硬质合金(YG)单刃螺纹铣刀分层小切深，大进给切削，有效的解决了这个问题。
根据第四道工序所加工孔的大小，采用Ø8高速钢键槽铣刀加工Ø12沉孔、M8螺纹底孔和两处双圆头通孔。中心钻及麻花钻等其它刀具，全部采用优质高速钢材质刀具加工，磨损后使用磨刀机进行修磨，以满足刀具经济性要求。
六、切削用量选择
切削用量不仅影响到加工效率和加工质量，更影响到批量生产的经济性，经过反复试验，确定各工序切削用量如表1。
表1 切削用量
工序号 工序名称 刀具名称及规格 S(r/min) F(mm/min) ap(mm)
工序一 粗加工螺纹底孔 Ø20高速钢键槽铣刀 1000 300 6
精加工螺纹底孔 Ø20高速钢键槽铣刀 700 1000 0.2
工序二 螺纹底孔倒角 45°高速钢倒角刀 1500 1000 1.5
工序三 铣削螺纹 硬质合金(YG)单刃螺纹铣刀 850 500 0~0.5
工序四 铣削双圆头孔、沉孔、螺纹底孔 Ø8高速钢键槽铣刀 2500 300 2
工序五 钻中心孔 高速钢中心孔 3000 50
工序六 钻Ø3.6通孔 Ø3.6高速钢麻花钻 1500 50
工序七 钻3×Ø5通孔 Ø5高速钢麻花钻 1200 80
工序八 孔口倒角 45°高速钢倒角刀 1500 1000 1
工序九 M8螺纹攻丝 M8机用丝锥 500
七、程序编写
采用计算机编程和手工编程相结合的方法，编写加工程序。首先，根据绘图软件确定各加工部位节点坐标（如图4所示），以方便手工编程；其次，对螺纹铣削程序、攻丝程序进行手工编程，以便于在程序调试阶段将切削参数修改到合理值；最后，对螺纹底孔加工等其它加工程序，应用CAM软件编程，以提高编程效率和正确性，降低编程难度。
图四 关键点坐标
在编写每一道工序的加工程序时，可将所有一次性装夹毛坯按照一个整体毛坯来编程，或者将单件加工程序当做子程序来调用，来加工下一个工件。
结论 在实际生产中，由于刀具磨损，特别是单刃螺纹铣刀刀片磨损，而导致加工精度和质量不能达到要求时，可以采用定时或定数检测，来总结刀具磨损规律，找到刀具重磨或更换刀片的合理时间；由于304不锈钢韧性大，在加工中容易产生粘刀问题，导致产生震动和噪声，加剧刀具磨损，可采用在冷却润滑液中加入适量菜籽油，可以有效解决粘刀问题；为减少换刀时间，刀具在刀库中的等待位置要与各加工工序相对应；采用机用丝锥加工M8螺纹时，由于底孔加工刀具磨损，使得底孔尺寸变小，或者由于加工材料塑性大，丝锥排屑不畅产生积屑，而导致丝锥折断出现废品，因此，需要定期检查底孔直径大小和更换丝锥；需要在加工中及时清理切屑，特别是钻孔时产生的带状切屑，容易缠绕到刀具上，而划伤工件表面，影响零件外观质量。
参考文献：
[1]《数控铣床/加工中心编程与操作实训》主编 沈建峰 国防工业出版社。
[2]《CAXA数控铣CAD/CAM技术》主编 张德强 机械工业出版社。
[3]《不锈钢的铣削加工》《工具技术》杂志1994年第28卷。
[4]《不锈钢加工用刀具切削参数选择分析》董必辉《机械制造与研究》2007年第6期。
