摘 要：本文以亚特机电学院产学研共同体为依托，以机械工程知识为本，通过对某头壳箱体（8146-280301）产品关键孔进行工艺分析得出可以通过设计一款复合刀具来提高φ79.997+0.025 0、φ89.98+0.024 0、φ99.992+0.025 0、φ109.992+0.025 0、φ139.992+0.025 0轴承孔的加工效率，同时可以降低加工过程中的频繁换刀的问题，减少换刀的次数，从而提高关键孔的加工效率和加工精度。
关键词：头壳箱体；关键孔；复合刀具；工艺优化
1.前言
亚特机电学院主要由嘉兴南洋职业技术学院（以下简称“南洋学院”）和浙江亚特电器有限公司（以下简称“亚特”）合作成立的产学研共同体。该共同体主要面向嘉兴市欣禾职教集团（以下简称“集团”）成员学校的机械制造与自动化、模具设计与制造、机电一体化等专业，为各校师生开展人才联合培养、向行业企业提供员工培训、职业技能鉴定和应用技术研发转化等服务。借助着“亚特机电学院”这个平台，经过和亚特的凌福恩总工程师协商，结合作者的专业方向，确定在亚特承担项目“某电动工具头壳箱体（8146-280301）产品的生产过程重组与改善”。 该产品用于组装手持角磨机，目前年产量为12万台左右，其主要应用于建筑工程、机械维修等领域。具体见图1所示。
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图1 头壳箱体（8146-280301）产品二维图 图2 复合三刃镗刀设计图
2.设计方法
在这次研究过程中主要运用机械工程和工业工程的相关知识把这个典型零件的生产过程通过关键工艺优化、夹具优化和生产节拍优化，按照这个优化后的工艺流程来重新布置机床设备，安排人员，让生产能够更加平衡，从而实现精益化生产。本文主要围绕着如何优化和提高 “某电动工具头壳箱体（8146-280301）产品”中的φ79.997+0.025 0、φ89.98+0.024 0、φ99.992+0.025 0、φ109.992+0.025 0、φ139.992+0.025 0关键孔的加工效率，即如何设计一把刀具可以减少换刀的次数情况下来粗精镗轴承孔，所以设计一把复合刀具是完成该产品优化重组的关键。
3.刀具设计与优化过程
根据企业的生产要求，在刀具设计过程中需要追求的是单位时间内较高的材料去除率，同时能够满足加工工件的高精度和高表面质量的要求[1]。通过分析产品工艺流程，在考虑切削方案时，充分运用机械工程中如何提高作业效率以及标准化作业的理念来对刀具进行设计和改进。
3.1提高作业效率
通过在亚特精密车间实地研究和调查，发现车间用的最多的是通用的刀具，例如白钢刀、硬质合金焊接刀具以及机夹式刀具等。这些通用刀具虽然通用性较好，可以在大多数机床上使用，但是因为其切削速度不能满足企业需要的高速切削的要求，无法达到企业要求的切削效率。通过分析现有的工序内容，可以发现，在头壳箱体的粗精镗轴承孔中，其加工内容主要是铣削、钻削、镗削与攻丝等工序。那么如何缩短刀具行程、减少换刀次数来降低机械加工工艺费用是这次刀具设计的重点[2]。根据这些设计理念特对关键的φ79.997+0.025 0、φ89.98+0.024 0、φ99.992+0.025 0、φ109.992+0.025 0、φ139.992+0.025 0轴承孔加工进行工艺优化及刀具复合设计。其具体设计过程如下：
设计包括刀柄、与所述刀柄固接的连接部、与所述连接部另一端固接的刀杆，所述刀杆具有多个侧面，所述侧面各设有一个刀头，所述刀头包括刀座、设置在刀座上的刀片、设置在所述刀座底部的固定件和置于刀座上用以将所述刀座紧固在刀杆上的锁紧螺母。其刀杆设有三个对称侧面，每一个侧面分别固定有第一刀头、第二刀头和第三刀头。所述第一刀头、第二刀头和第三刀头的切割尺径均不相同。所述连接部包括一端与刀柄固接的设有内螺纹的第一连接件、一端与刀杆固接的第二连接件、设置在所述第二连接件外表面与内螺纹配合的外螺纹，由第二连接件沿第一连接件内螺纹旋进或旋出以使刀杆与刀柄连接。所述连接部还包括置于第二连接件外侧的弹性凸起和对应设置在第一连接件上的通孔，所述通孔尺寸与弹性凸起相同，在第二连接件与第一连接件连接时弹性凸起可伸出于通孔并由通孔抵住以固定刀杆与刀柄。所述第二连接件设置有三个弹性凸起，每一个弹性凸起对应设置在刀杆每一个侧面所在平行面上。所述第一连接件上设置有与弹性凸起对应的三个通孔。所述刀片为三角形结构，通过锁紧螺丝安装嵌入所述刀座的侧面。具体见图2所示；
整个设计过程中，主要依据是提高加工效率和减少换刀次数，所以刀具使用的刀片是硬质合金刀片，为了缩短刀具行程，采用机夹式非标复合可调节的三面刃来粗精镗箱体的关键孔，使箱体关键孔通过刀具的一次轨迹就可以完成孔的粗精镗削，减少了切削时间，同时机夹结构的刀具也方便了刀具调整，减少调机时间。
3.2标准化作业
企业施行标准化管理，其主要目的就是为了在生产过程中，产品安全稳定、质量精品、工期合理、环境和谐、技术创新[3]。经过对头壳箱体的工艺分析，可以知道，为了提高加工效率，企业必须对定制的刀具的所有的零部件进行标准化定制，虽然设计的过程采用的是非标设计，但是因为企业的头壳箱体是年产量12万件，所以对非标的刀具零部件采用的是标准化设计和管理。只有这样才能方便企业后续的刀具管理、刀具采购、拉钉的采购等。所以在对刀具的定制设计过程中，特要求团队在设计的过程中尽量对零部件采用标准化设计，避免所有的零部件都是非标件，降低企业的定制刀具的成本和采购的压力。总体思路如下：
（1）在整个设计过程中，刀具的切削部分可以形状各异，可以非标设计，但是和机床主轴连接的夹持部位，尤其是刀具的锥柄等企业要标准化设计，统一采用BT50锥柄，这样刀具可以在标准主轴里夹持加工，避免刀具浪费。
（2）刀具使用的刀片尽量是市场能够购买到的标准刀片，降低刀具定制成本；
（3）在刀具设计的过程中，粗精加工刀具设计要分开，从而在加工的时候可以降低操作难度，又能方便加工，同时避免了刀具自身精度产生的质量偏差。
（4）所有刀具的夹持部位和机床要统一配套，从而可以使得刀具和刀柄与机床之间可以尽最大可能互换，降低企业成本。
总之，刀具在设计的过程中追求高切削效率、降低切削成本的同时，也要考虑企业定制刀具的成本，只允许定制的刀具的切削部分采用非标设计，其它的例如夹持和刀片部分采用标准设计，尽可能的实现标准化作业，让刀具之间可以互换，从而降低企业的定制成本。
4.结论
（1）头壳箱体使用该复合刀具粗精镗关建孔，发现加工的工序更加集中，加工效率提高很多。头壳箱体加工的工艺流程优化之后，刀具由开始的28把刀具减少到只需要17把刀具，刀具数量减少将近一半。刀具的换刀时间缩短了96秒，即1.6分钟；因为工序集中，刀具的总的加工时间缩短了870秒，即14.5分钟；最终实现了头壳箱体能在1500秒内，即25分钟内完成粗精镗孔的加工，与企业优化之前的工艺相比缩短了整整23分钟，给企业节约了成本，提高了加工效率。
（2）因为该刀具大部分都是采用标准化设计，只有切削部分是非标设计，总体来说结构简单，制造较方便。
（3）只需松开螺钉，刀具三刃的位置就可以调整，所镗孔的大小可以根据尺寸来调整，加工较为方便。
（4）复合刀具的使用范围比较广，可以推广到其它的箱体类零件的加工中去，可以作为一个典型的设计案例向外推广，为企业的技术创新打下基础，同时该案例可以引入到课堂教学中去，实现学院的“专业群”和企业的“产业群”无缝对接，从而在该平台下，联合企业一起制定人才培养方案，做到“三个融合”，即融专业能力和创新创业能力于一体；融知识传授与职业素养于一体；融教学与科研生产于一体，从而培养集产品研发、生产和管理的高层次人才，更好的实现“产教融合”。
参考文献：
[1]王晶晶，李新梅.高速切削加工技术及其重要应用领域浅析[J].机床与液压，1001-3881.2015.04.056.
[2]杨青，胡树华，王丽燕等.机械加工工艺成本优化研究[J].武汉汽车工业大学学报，1996，4：56~59.
[3]韩佩君.标准化管理在工程项目中的运用[J].工程管理，2015.05.
【作者简介】： 郑金杰（1985-），男，汉族，硕士，副教授 【研究方向】：先进制造技术&创新创业教育
【基金项目】：校级一般科研项目：某电动工具头壳箱体（8146-280301）产品关键孔复合刀具设计（项目编号pg30017ky005）；“三个一百”工程教改课改课题（项目编号p30017jg062）。