凿岩钎具规模化生产中数控加工技术的应用
１ 引言
随着我国钎具行业的不断发展壮大，对凿岩钎具产品的性能和生产率提出了更高的要求，使用的钎头向大直径和批量规模化趋势发展。而机械加工工艺过程的自动化是实现高性能和规模化生产钎具产品的基本要求。数控加工技术是机械加工过程自动化的最大体现。数控加工技术在我国起步较晚但发展速度较快，二十世纪九十年代中期，全国各大高校和科研院所掀起了一股数控热，但我国对凿岩钎具产品的更新和相关技术研究发展滞后，凿岩钎具市场长期被国外Ｓａｎｄｖｉｋ、阿特拉斯等品牌垄断。
近年来，随着国内市场对钎具产品性能和用量的高要求和高消耗，为了大幅提高冶金炉钎具与小直径钎头质量与产能，我国凿岩钎具企业和科研院所全面系统地研究解决数控加工技术在凿岩钎具加工过程中的应用技术和批量生产技术，实现了钎头高质量和规模化生产。本文对数控加工技术在凿岩钎具规模化生产加工中的应用展开了试验研究。
２ 数控技术加工凿岩钎具概况
数控技术是现代制造技术的基础，它的广泛应用使全球制造业发生了根本变化。数控技术的水准和普及程度已经成为衡量一个国家综合国力和工业现代化水平的重要标志之一。
世界著名的Ｓａｎｄｖｉｋ公司在生产大直径钎头齿孔加工工艺中采用非常精密的数控加工中心，用气动测量仪测量孔径并分级，其精确度可达０.０１ｍｍ，每０.００５ｍｍ为一级，从而保证产品１００％合格。
近年来国内钎具行业在钎头的加工工艺方面开展了大量工作。例如本行业知名企业莲花山、湖南黑金刚等，在齿孔加工工艺中均采用高精度加工中心，研制生产的大直径钎头在国内处于领先水平，可以说是赶上了国外钎具技术水平。但这毕竟是少数，大多数企业仍处于比较落后的状态，设备完全靠人工操作来实现，不能摆脱人为因素对钎具质量的不利影响，产品质量不稳定。随着我国对数控技术应用的重视和科研院所对数控加工技术的不断深入研究，国家越来越重视高级职业技术教育和新型职业技术人员的培养。我国与世界先进凿岩钎具加工技术和高质量产品的差距不断缩小。应用数控技术已成为目前乃至今后钎具行业机械加工技术发展的目标和方向，数控机床将成为我国钎具行业乃至整个机械行业的主要装备。
３ 公司利用数控加工技术情况
公司根据自身发展需求和产品机构特点，购置了ＶＤＬ－６００Ａ型数控立式加工中心与ＣＫＡ６１５０数控车床。通过对刀具选择、工装卡具设计制作、加工工艺调试试验，极大地提高了产品质量和生产效率，钎头齿孔加工精度可达到０.００５～０.０１ｍｍ范围。数控加工机床已成为我公司提升产品质量的必要措施。通过数控技术应用使凿岩钎具产品的加工质量和效率进入了一个新的阶段。
４ 专用卡具的设计制作
夹具夹持工件进行铣削加工时会产生较大的切削力，刀齿不连续切削工具会形成冲击和振动。目前，机械加工中多采用固定夹具，固定夹具只能夹持固定，不具备定位功能，经常造成工件偏移和错位，使加工精度下降。加工轴类齿轮时，没有好用的专用夹具，加工精度不好控制，加工效率不高，影响正常的生产。同时，传统的固定夹具不适用于数控加工设备，加装不方便，需要工人花费大量时间和体力紧固夹具。夹紧机构应能保持自锁，保证夹紧定位的安全可靠，夹紧动作迅速，夹紧时不应损害零件表面质量，使夹紧件具备一定的刚性和强度，夹紧作用力应可调节，结构简单，便于制造和维修。公司根据数控设备的特点和加工产品的需要，设计制作了以下几种卡具，使用方便，同时提高了生产效率。
４．１ 菱形压板式卡具
该卡具包括压板和支座，支座上设有菱形销和短销，菱形销上套接压板和压紧螺母。加工工件时，将工件套装在菱形销上，用短销卡紧定位，拧紧压紧螺母使压板压紧工件即可。拆卸时松开压紧螺母拆下压板，即可取下工件。根据加工工件的几何尺寸，设计制作钎头裤体外套，分别在外套壁、加工工件、卡盘爪上标识定位点，通过三点一线准确定位，减小定位误差，提高生产效率，保证加工精度。该装置结构简单，操作方便，省时省力。
４．２ 液性塑料挤压卡具
该卡具包括底座、薄壁套筒，底座上设有模具槽，模具槽中装有薄壁套筒，薄壁套筒外围包有一圈套筒状液性塑料，底座的侧壁上开有横向孔。横向孔内装横向螺栓。横向螺栓的前端装横向橡胶垫，横向橡胶垫与套筒状液性塑料相接触。横向螺栓上设有等间距排列的通孔。薄壁套筒内设有中轴，中轴处于模具槽槽向中心位置。中轴由四块带有磁性的弧形板组成，内设有柱状液性塑料。底部设有纵向螺栓，纵向螺栓的前端设有纵向橡胶垫。该卡具的特点是套筒状液性塑料和柱状液性塑料可以对模具进行良好的固定。与机械夹具相比，套筒状液性塑料在提供了适当的卡持力的同时还能有效地减少对模具表面的磨损。柱状液性塑料在提供更均匀卡持力的同时也能防止模具因挤压过度而变形。
４．３ 波形胀紧夹具
该卡具由底座、固定轴组成，固定轴上套有胀紧套，固定轴与底座活动连接，固定轴上部有螺纹。胀紧套外表面和内壁都设等间距排列的环槽。螺母与胀紧套之间的环形垫片，外径大于螺母的外径，小于胀紧套的外径。底座上设有通轴，通轴穿过底座与固定轴。与传统夹具相比，这种卡具使用胀紧套对齿轮进行卡持，由于胀紧套本身具有弹性，所以在直径相同的情况下，可以适应更多的齿轮，固定轴可更换，以更好地适应不同的齿轮。用胀紧套卡持齿轮时，其施力过程稳定，且到达施力极限后不会将齿轮崩裂，所以更加安全。
４．４ 卡盘的改造
在卡盘底部设计了可调垫板装置，根据卡盘倾斜角度调整垫板高低，增加承载力度，避免因加工倾斜工件时卡盘承重过大、卡盘颤抖导致的加工精度不够和打刀现象。
５ 凿岩钎具热处理工艺的选择
国内凿岩钎具行业均采用冷镶、热镶、焊接等固齿方法生产柱齿合金钎头。当采用热镶固齿方法时，需要将钎头体进行热处理，钻好孔，再加热到一定温度，作业人员用镊子或其它工具将柱齿对准钎头体上的合金孔，然后用铜锤快速将柱齿敲入孔内，利用钢体热胀冷缩的特性达到固齿目的。固齿作业过程必须迅捷，严格控制时间。常用的热处理方式，由于装炉量大，保温时间不易掌握，经常出现因加热不均匀造成硬度不足的现象；淬火介质不均匀，造成组织应力过大；工件硬度不均匀、应力不均匀而使工件变形大，甚至开裂；保温时间不当，出现晶粒粗大、氧化脱碳等严重的弊病，影响淬火质量。因此，钎头体的热处理直接影响到产品固齿质量。为此，我们研制了一种钎头体的热处理方法。
步骤一、退火处理：将棒材锯成所需长度的胚体，７６０℃－７７０℃退火，随炉冷至３９０℃～４１０℃后空冷。
步骤二、淬火处理：将经过精加工的钎头体悬空放入盐浴炉中，升温至８９０℃～９１０℃，恒温保温２５～３５ｍｉｎ；将钎头体放入油温为４０℃～６０℃的恒温淬火装置中进行油淬火，钎头体在油中来回晃动１１０～１３０ｓ，以避免油温过高和油温不均匀，再静置２９０～３１０ｓ后取出悬挂空冷。
步骤三、正火处理：将经过步骤二处理的钎头体放入箱式炉中加热至８５０℃～８７０℃，出炉空冷。
步骤四、调质处理：将经过步骤三处理的钎头体加热至８４０℃～８６０℃，再５００℃～５２０℃回火处理，随炉冷却。
与现有技术相比，我们设计的热处理方法具有以下优点。
（１）工艺简单，易于操作。在淬火步骤中，严格控制恒温保温时间，消除了晶粒粗大、氧化脱碳严重的弊病。另外，钎头体放入淬火介质后宜动不宜静，静止的冷却介质加上静止的工件，易导致硬度不均匀，应力不均匀，使钎头体在４０℃～６０℃油中来回晃动１１０ｓ～１３０ｓ，保证了淬火介质温度均匀。通过对以上各种条件的控制，使钎头体的综合性能得到很大程度的改善，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。
（２）热处理硬度均匀。经热处理后的钎头体耐磨性好，固齿强度高，固齿不易开裂、掉齿，达到钎头体的技术指标，解决了实际问题，提高了产品质量。
６ 齿孔加工工艺的研究
在传统加工技术中，均采用普通钻床先钻孔、再铰孔的齿孔加工工艺，常用的钻头及铰刀大多采用Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ制造，由于刀具材料热硬性差，刀具使用寿命短，效率低，二次加工误差大，成本高且很难保证批量加工中孔径的一致性。
钎头齿孔是一种特殊的小直径盲孔，有着不同的倾角与夹角。加工合金齿孔时，将经过调质处理后的钎头体采用喷丸处理，再次消除钎头体表层产生的残余应力，钎头体加工固定孔，采用先钻后铰的加工方式，孔的预留过盈量为０.０２４～０.０４５ｍｍ。再将钎头体加热至２００℃～２２０℃，进行固齿处理。
采用同一种钻机、相同的钻孔工艺钻钎头齿孔，对相应的钎头进行测试，其使用寿命达到预期效果。然而在加工中心一次加工３７５０个左右的孔，累计加工长度４５ｍ左右，加工面光洁度高，齿孔尺寸一致，彻底解决了加工齿孔的“喇叭口”现象，将所加工产品做现场对比试验，质量明显优于原用钎头。
７ 产品外形及螺纹的加工
数控加工按事先编好的程序加工工件的外型，所加工件的外型尺寸必须保证在偏差范围内，偏差越小加工精度越高。国内机械加工企业使用的螺纹车刀均为固定直柄单刀，加工时需要在工件上先车出空刀槽（即退刀槽），然后将刀杆移动至空刀槽内，刀具由空刀槽向工件端面多次重复车削才能完成螺纹加工，既增加了工序又降低了工件的使用强度。尤其是中空薄壁杆类工件，使用时由于扭矩大，应力集中，螺纹空刀槽处很容易断裂，且在加工时由于刀杆颤抖造成加工表面精度不够甚至形成直角区，影响其使用寿命。在加工左旋反螺纹时主轴反转，刀杆固定不动，给实际生产带来一系列难题，同时也增加了生产成本。
我们设计了一种专用螺纹刀具，该刀具采用的是限位跳刀设计和螺纹一刀车削成型的方法，加工螺纹时不需要车空刀槽，保证了工件（尤其是中空薄壁杆类工件）螺纹末端的强度，主轴和刀杆一正一反同时旋转，实现螺纹一刀加工成型，减少了加工工序。加工时由工件端面向里进刀且与机床主轴反方向旋转，实现了左旋反螺纹的正车削。两组刀头对称安装，刀杆旋转时处于动平衡状态，避免了加工中因刀杆颤抖造成的产品表面质量问题和工件不同心问题，提高了加工精度和工件强度。
将刀体套安装在旋转体上，根据图纸要求的螺纹长度，选择和调节好限位套的长度和限位顶芯的位置，限位顶芯将卡在机床主轴上的工件顶紧，用调节螺丝将刀杆调节到车削需要的位置后用紧固螺丝将其紧固。启动电机带动刀体套以１４：１０的速率和车床主轴作反方向旋转并沿工件端面向主轴方向车削，当工件端面接触到限位套时，限位套推动活动顶芯向刀体回位弹簧移动，活动档杆在档杆弹簧的作用下沿顶芯的圆弧面滑向其凹槽处，并带动刀架以定位螺杆为中心向外扩张，车削程序完成，回位弹簧将活动顶芯弹回至限位销，活动档杆归位，完成螺纹一刀车削成型。
此方法在加工螺纹时不需要对工件车削空刀槽，保证了工件螺纹末端的强度，提高了工件的整体使用寿命；螺纹一次车削完成，提高了加工效率，避免了多次加工的累积误差，保证了加工精度；一备一用两组刀，实现了左旋反螺纹的正车削，使刀杆旋转时处于动平衡状态。
随着我公司大直径钎头种类不断增加，产量的不断加大，现有加工中心的主轴行程已难以满足直径为φ１１５ｍｍ、φ１４０ｍｍ、φ１５０ｍｍ、φ１６５ｍｍ等钎头的加工要求，需要和机床生产厂家合作对加工中心主轴行程和回转卡盘进行改造以及购置相关配套设备。
８ 结语
本项目以数控加工技术在凿岩钎具加工中的应用为研究对象，通过数控技术加工凿岩钎具，设备自动化程度高，研究方法新颖，生产工艺先进，实现了一机多用，一机多能，为企业节约了人力资源和其它设备采购数量，生产的钎具产品使用寿命长，节约了钢材和硬质合金，同时也节约了国家稀有的钨钴资源，符合国家节能降耗项目要求。
该项目的实施，有效带动公司高炉开铁口钎头、高气压潜孔钎头质量达到国内领先水平。与国外钎具行业相比，产品性价比高，生产成本低，产品需求量大，具有较好的市场前景。且本项目产品中原材料成本只占４０％的比例，其产品与原材料价格同步波动，利润空间稳定，与同类产品相比，具有较强的竞争优势。
通过研究利用数控技术加工钎具产品，对从小到大、从低到高的产品结构调整，为公司产业转型提供了有力的装备支撑；通过该项目的实施可带动行业装备工具研发和制造技术水平的提高，对提高企业自主创新能力，推动行业技术进步，具有现实意义。