變徑細長軸類零件的旋風(fēng)銑削方法研究*

孫興偉 崔 海 王 可 董 蔚

（沈陽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110178）

通過對天津、遼寧、山東及浙江一些石油、橡膠、塑料加工機械公司的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，如今的變徑細長軸類零件的使用壽命偏低，故其使用量大大增加，而傳統(tǒng)的加工方法和設(shè)備遠遠不能滿足市場對變徑細長軸類零件的加工精度和生產(chǎn)效率的要求，所以急需開發(fā)出一種有效的加工方法和設(shè)備來彌補傳統(tǒng)加工方法和設(shè)備的不足，以滿足市場的需求。在科技高速發(fā)展、數(shù)控技術(shù)被廣泛應(yīng)用的今天，變徑細長軸類零件制造的高效與自動化是今后發(fā)展的必然趨勢。本文提出了細長軸類零件變徑旋風(fēng)銑削的新型加工方法，為旋風(fēng)銑削應(yīng)用領(lǐng)域的拓展奠定了理論基礎(chǔ)。

1 細長軸類零件的加工現(xiàn)狀

現(xiàn)階段細長軸類零件的加工還是采用傳統(tǒng)的車削加工方法，該方法所用加工設(shè)備簡單，成本低廉，因此被廣泛采用。車削細長軸類零件時，由于長徑比大，在切削力作用下會產(chǎn)生彎曲變形與振動，故細長軸的車削加工目前仍是一個工藝難題，當前主要靠操作者的經(jīng)驗解決該工藝難題，因此這種加工方法對工人的技術(shù)水平要求很高，且效率很低。在科技高速發(fā)展的今天，零件加工精度要求越來越高，設(shè)計和制造的高效與自動化是今后發(fā)展的必然趨勢，傳統(tǒng)的加工方法很難滿足加工精度和生產(chǎn)效率的要求。因此尋找一種新的加工方法替代車削加工解決細長軸車削加工難題就顯得尤為重要。本文提出的變徑旋風(fēng)銑削加工方法可以很好地解決這一問題。

2 數(shù)控變徑旋風(fēng)銑加工原理

當三坐標數(shù)控旋風(fēng)銑床采用內(nèi)切式旋風(fēng)銑削加工細長軸類工件時，刀盤的中心不與工件中心重合，銑刀盤高速旋轉(zhuǎn)，在加工過程中通過直線插補的方式在X軸、Z軸方向上同時進行直線進給運動，這樣就實現(xiàn)了細長軸類工件的變徑加工，其加工原理圖如圖1所示。加工過程中，刀盤繞Z軸的旋轉(zhuǎn)運動是機床的主運動，刀盤沿X、Z向的直線運動和工件繞Z軸的轉(zhuǎn)動是機床的進給運動。

3 數(shù)控變徑旋風(fēng)銑床

根據(jù)細長軸類零件的變徑銑削原理，自行研發(fā)了三軸聯(lián)動的數(shù)控變徑旋風(fēng)銑床。此機床布局采用臥式車床結(jié)構(gòu)布局，由床身、床頭箱、尾臺、滑鞍、銑頭、跟刀架、操作臺等幾個主要部分組成。此銑床可在一次加工過程中完成對變徑細長軸類工件的銑削，以達到高效銑削變徑細長工件的加工需要。在設(shè)計過程中，銑刀盤的設(shè)計尤為重要，下面具體介紹這部分的設(shè)計。

3.1 刀盤結(jié)構(gòu)及其重要參數(shù)的確定

本文設(shè)計開發(fā)的三坐標聯(lián)動的專用數(shù)控變徑旋風(fēng)銑床采用自行設(shè)計的內(nèi)切式旋風(fēng)銑刀盤。圖2為旋風(fēng)銑刀盤實物圖，是數(shù)控變徑旋風(fēng)銑床的專用刀盤規(guī)格之一。

根據(jù)刀頭在刀盤中的安裝方式，內(nèi)切式旋風(fēng)銑削刀盤分為徑向刀盤及切向刀盤兩類[1]。內(nèi)切式旋風(fēng)銑削刀頭的結(jié)構(gòu)有焊接式、機夾式及可轉(zhuǎn)位式三種，目前生產(chǎn)中以焊接結(jié)構(gòu)較為常見。但刀片經(jīng)高溫焊接后，硬度會降低，易產(chǎn)生裂紋，影響刀具壽命，使刀桿及刀片得不到充分利用。機夾式及可轉(zhuǎn)位式結(jié)構(gòu)可避免上述不足，調(diào)整、更換刀具方便，應(yīng)用前景較好。可轉(zhuǎn)位旋風(fēng)銑削刀頭刀桿形狀一般有圓柱體和長方體兩種，徑向刀盤兩種形狀均有應(yīng)用，切向刀盤常用長方體形狀[4]。本文采用的是徑向刀盤、機夾式和長方體刀桿的結(jié)構(gòu)，其刀盤的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：

（1）刀盤裝刀數(shù)量Z該參數(shù)可影響工件表面粗糙度，數(shù)量越多表面粗糙度值越小，切削越平穩(wěn)，刀具壽命越長。但數(shù)量過多會發(fā)生干涉，使裝夾困難，不利于調(diào)整。因此，當銑刀盤內(nèi)徑D0一定時，取大的Z值比較有利。根據(jù)加工工件直徑的大小不同，可設(shè)計裝有8、12和20把刀的旋風(fēng)銑刀盤，用于加工φ10～300 mm的變徑細長軸類零件。

（2）刀頭伸出長度L刀頭在刀盤中的伸出長度L可取為刀頭高度H的1.2～1.5倍。即

（3）刀盤平均直徑D刀盤的平均直徑為刀盤內(nèi)徑D0與外徑D1之和的一半。即

（4）刀頭在刀盤上的周向布置角度γ根據(jù)刀盤的大小和安裝刀頭的數(shù)量，刀頭在刀盤上的周向布置角度γ可定為

旋風(fēng)銑削的刀盤設(shè)計除以上參數(shù)的確定外，還有刀頭安裝位置的確定和扳手工作空間的確定等。

3.2 工件的裝卡方式

由于是細長工件，在大跨度的情況下難免產(chǎn)生撓度，所以會對加工帶來相當大的誤差。故工件的裝卡方式采用傳統(tǒng)的倆夾一頂。所謂的倆夾一頂就是床頭箱卡盤夾住，尾臺采用頂尖頂住工件，加工過程用兩組跟刀架夾緊工件來增加工件的剛性，這樣可以有效地消除細長工件加工時產(chǎn)生的撓度帶來的誤差。工件在加工過程中要限制其五個自由度，用三爪夾盤和頂尖來頂緊工件即可限制其5個自由度。

4 數(shù)控程序的自動生成

根據(jù)機床和加工方法的特點，本文開發(fā)出了變徑細長軸類零件的旋風(fēng)銑削加工編程軟件，圖3為該軟件的交互主界面。該專用軟件包含有工件幾何參數(shù)輸入，刀具參數(shù)輸入，模擬仿真和NC生成四大模塊。該軟件的開發(fā)很大程度上縮短了編程周期，降低了編程的難度。能夠更直觀地模擬仿真和生成數(shù)控程序，極大地方便了機床用戶的操作。

如圖4所示，該軟件根據(jù)輸入的變徑細長軸類工件的幾何參數(shù)、刀具參數(shù)、刀尖誤差補償?shù)然緟?shù)，便可自動生成數(shù)控加工程序。圖5給出了由參數(shù)界面輸入變徑細長軸類零件基本數(shù)據(jù)后生成的數(shù)控銑削實際工件的加工程序?qū)嵗?/p>

5 實際加工舉例

下面對我公司為陜西某機械廠試切單螺桿泵轉(zhuǎn)子為例，詳細介紹本加工方法以及機床的加工過程。試切工件為細長軸，材料為45號鋼，長5 670 mm，直徑φ70 mm，加工后直徑達到φ62 mm，并有一定的粗糙度要求。由于所切工件無變徑要求，故在幾何參數(shù)輸入界面內(nèi)輸入如圖4所示的數(shù)據(jù)，點擊保存生成如圖5所示的數(shù)控加工程序。

然后裝卡工件，一切準備就緒后跟刀架夾緊工件，調(diào)節(jié)刀盤X、Z軸坐標歸零并調(diào)入數(shù)控程序開始加工工件。工件和刀盤沿相反的方向旋轉(zhuǎn)，工件轉(zhuǎn)速300 r/min，主軸轉(zhuǎn)速380 r/min，Z軸進給速度2 mm/s快速切削工件，如圖6。如果使用冷卻液主軸轉(zhuǎn)速還可進一步提高。機床在不到1 h的時間內(nèi)完成切削，且表面精度較高（圖7），為后續(xù)的拋光過程降低了難度，可以轉(zhuǎn)到下面的工序繼續(xù)加工。如果此工件用普通車床車削加工，都要加工至少5 h，效率較低。用本機床加工，大大縮短了加工時間，提高了加工效率和精度。

6 結(jié)語

本文提出了一種利用現(xiàn)代機床和計算機技術(shù)加工高質(zhì)量、高精度的變徑細長軸類零件的新方法，設(shè)計了專用數(shù)控變徑旋風(fēng)銑床。該銑床不但能加工變徑細長軸類零件，而且也能加工階梯零件和固定直徑的細長軸類零件。該方法用三坐標聯(lián)動數(shù)控旋風(fēng)銑床和通用刀具，可加工多品種、多規(guī)格的細長軸類零件，具有廣泛的通用性。經(jīng)檢測和多次驗證表明，用該方法加工出的細長軸類零件精度符合要求，可用于實際生產(chǎn)。

[1]劉志峰.內(nèi)切式旋風(fēng)銑削刀盤及刀具結(jié)構(gòu)[J].機械設(shè)計與研究，1996（2）：42—43.

[2]王可，趙文珍，唐宗軍，等.異形螺桿加工所用無瞬心包絡(luò)法原理與實踐[J].制造技術(shù)與機床，1999（2）：37—38.

[3]譚立新.旋風(fēng)銑削加工質(zhì)量分析[J].新技術(shù)新工藝，2002（3）：15—17.

[4]黃祖堯.CNC螺紋旋風(fēng)硬銑削[J].高效綠色制造技術(shù)，2004（9）：26—28.

[5]Suk—Hwan Suh.Five—Axis Part Machining With Three—Axis CNC Machine and Indexing Table.Joural of Manufacturing Science and Engineering，1998：45—48.