鏜削逐層掃描加工的擴(kuò)展應(yīng)用

河南平原光電有限公司 (焦作 454001)陳利波 梁 兵 劉紅德

數(shù)控銑削較深型腔類零件時(shí)，由于棒銑刀裝夾方式屬于懸臂結(jié)構(gòu)，加工時(shí)刀具側(cè)齒距離刀柄越遠(yuǎn)，銑削剛性越差，造成切削讓刀量不一致，銑后造成內(nèi)腔側(cè)壁尺寸口大底小，俗稱“倒梯形”。如果尺寸精度要求較低，深度方向可以用分層銑解決，但層間有接刀痕。如果加工7 級及以上精密尺寸時(shí)，棒銑刀銑削將很難保證精度要求，側(cè)壁表面粗糙度也較差。

筆者針對加工中心銑削時(shí)出現(xiàn)的實(shí)際問題，采用以鏜刀代替銑刀逐層掃描的加工方法，很好地解決了型腔加工側(cè)壁讓刀問題，并保證側(cè)壁表面粗糙度值Ra=0.8μm。在承接多家研究所外協(xié)產(chǎn)品加工中，為保證異形腔體精密尺寸起到關(guān)鍵作用。此項(xiàng)工藝改進(jìn)直接產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益超過百萬元，因加工工藝方法領(lǐng)先，關(guān)鍵重要零件形位精度得到保證，回頭客戶簽訂加工合同量穩(wěn)步增加，訂價(jià)權(quán)多在我方。

1.發(fā)展?fàn)顩r及趨勢

隨著電主軸高速數(shù)控機(jī)床的普及，鍍鈦等涂層刀具及陶瓷刀具的廣泛使用，使我們的加工范圍更廣，刀具轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)8 000～12 000r/min 的準(zhǔn)高速加工，15 000～50 000r/min 高速加工，以鏜代銑逐層掃描的加工方法，加工時(shí)間會大幅縮減，對關(guān)鍵零部件的加工將發(fā)揮更大作用，這一加工理念必將被廣泛應(yīng)用。

2.創(chuàng)意設(shè)計(jì)內(nèi)容

思路起源于我部承接某研究所大殼體零件加工時(shí)，零件精密尺寸出現(xiàn)直徑相同圓孔套合扁孔共柱面結(jié)構(gòu)，起初并沒有得到重視，當(dāng)加工中心實(shí)際銑削時(shí)，發(fā)現(xiàn)孔口與孔底加工后尺寸不一致，俗稱“喇叭口”，并且圓孔與扁孔二次銑削產(chǎn)生嚴(yán)重接刀痕現(xiàn)象，銑扁孔時(shí)傷到了圓孔，形成四段圓弧，不能保證形位尺寸精度。

經(jīng)分析主要是棒銑刀夾緊屬于懸臂結(jié)構(gòu)，加工時(shí)刀具側(cè)齒距離刀柄越遠(yuǎn)，銑削剛性越差，如果分層銑時(shí)，距離刀柄近的側(cè)齒會二次銑傷前部側(cè)齒已銑成形的腔體側(cè)壁，造成讓刀量不一致，形成“倒梯形”或“喇叭口”現(xiàn)象。要消除讓刀量不一致及二次銑傷側(cè)壁問題，受鏜孔讓刀量小的啟發(fā)，創(chuàng)新求變，采用以鏜刀代替銑刀逐層掃描的加工方法。

通俗理解:棒銑刀銑型腔時(shí)，是用側(cè)齒按編程軌跡銑成形，較深內(nèi)腔采用分層銑削，分層深度一般設(shè)定為1～5mm，適合于較低精度內(nèi)腔加工。我們采用粗銑后，使用鏜刀按編程軌跡鏜內(nèi)腔輪廓，內(nèi)腔深度采用分層鏜每層設(shè)定為t=2 ［h (2r -h)］1/2(推算方法見圖1)，保證表面粗糙度值Ra≤0.8μm，逐層掃描形成內(nèi)腔側(cè)壁。由于微量旋風(fēng)鏜削，每層切削力接近相等，型腔加工讓刀問題得到解決，側(cè)壁表面粗糙度值Ra≤0.8μm。

圖1 內(nèi)腔深度分層鏜殘留峰值

設(shè):每層深度為t，已知:鏜刀尖圓角為r，h≤表面粗糙度值Ra，則

(1)技術(shù)原理及理論依據(jù):加工中心常規(guī)鏜孔的切削軌跡是致密螺旋線形成孔側(cè)壁。

棒銑刀銑腔體側(cè)面時(shí)，是以銑刀側(cè)齒為母線按編程軌跡使致密母線形成側(cè)壁;銑孔及弧軌跡是采用微分圓弧插補(bǔ)原理，使致密母線形成柱孔或弧面?zhèn)缺凇?/p>

以典型零件(見圖2)為例，如果加工一個(gè)定軸心、定轉(zhuǎn)向的鋁合金零件，7 級精度，上部是圓孔，下部是相同直徑的扁孔(總深度50mm 左右)，粗糙度值Ra=0.8μm，加工難題就出現(xiàn)了，要鏜孔，下部是扁孔不能鏜;要銑孔，加工精度差、表面粗糙度差，側(cè)壁讓刀，上部孔與下部圓弧二次加工將產(chǎn)生接刀痕。

圖2 典型零件示意圖

零件加工的主要難點(diǎn)是:側(cè)壁讓刀，有接刀痕;表面粗糙度差。銑孔不可行，只能在鏜孔方面尋求解決辦法，鏜扁孔似乎不可能，這就要打破傳統(tǒng)思維觀念，創(chuàng)新求變。我們自編工藝，編制程序與操作人員試加工，測試修正加工參數(shù)，采用先單邊留量0.06mm 粗加工腔體內(nèi)形，再使用φ20mm 雙刃對稱鏜刀，按編程軌跡旋風(fēng)插補(bǔ)精鏜上部圓孔和精鏜下部扁孔直徑相同的兩段圓弧，深度進(jìn)刀由常規(guī)鏜孔的致密螺旋線切削軌跡改變?yōu)橹旅艿戎睆酵膱A組切削軌跡，不抬刀逐層按編程軌跡掃描精鏜上部圓孔和精鏜下部圓弧面。因?yàn)楦咚傥⒘坎粨Q刀持續(xù)切削，切削力保持一致，鏜刀是刀尖切削，刀尖處鏜刀桿的剛性不變，加工中讓刀及接刀痕問題迎刃而解，可保證側(cè)壁表面粗糙度值Ra≤0.8μm。

(2)實(shí)現(xiàn)的途徑及可行性分析:加工刀路已經(jīng)確定，具體實(shí)現(xiàn)要靠計(jì)算。

用SolidWorks 三維軟件繪制計(jì)算型腔輪廓切削軌跡殘留峰值圖，要求達(dá)到圖樣(見圖2)規(guī)定的表面粗糙度值Ra=0.8μm。

使用CK 基礎(chǔ)刀柄，代號TW2026E (參數(shù)來源于大昭和精機(jī)株式會社，BIG+KAISER CK 模塊式鏜刀系列圖冊)。依據(jù)圖2 角部尺寸4×R10mm，選用雙刃對稱鏜刀，鏜刀直徑按φ20mm，繪制計(jì)算圓周切削殘留峰值圖(見圖3)。

圖3 型腔輪廓切削軌跡殘留峰值放大圖

根據(jù)圓弧切削殘留峰值圖計(jì)算設(shè)定切削參數(shù):當(dāng)進(jìn)給量≤0.28mm/r，計(jì)算得出切削殘留峰值為0.000 78mm，可以滿足表面粗糙度值Ra=0.8μm 的要求。

設(shè):刀具轉(zhuǎn)速S=6 000r/min，則:圓弧軌跡進(jìn)給速度F=6 000r/min×0.28mm/r=1 680mm/min。

工件上半部分每層的加工周長按刀具中心軌跡計(jì)算為:(100-20)×3.14=251.2mm，刀具每加工一周的旋轉(zhuǎn)數(shù)=加工周長÷進(jìn)給量=251.2 ÷0.28≈897r，刀具每加工一層的切削時(shí)間=每加工一周旋轉(zhuǎn)數(shù)÷刀具轉(zhuǎn)速=897 ÷6 000≈0.15min。

同理，我們可以計(jì)算出工件的下半部分環(huán)形腔的刀具中心軌跡的每層加工周長為232.92mm，刀具每加工一周的旋轉(zhuǎn)數(shù)=環(huán)形腔刀軌中心軌跡周長÷進(jìn)給量=232.92÷0.28≈832r，刀具每加工一層的切削時(shí)間=每加工一周旋轉(zhuǎn)數(shù)÷刀具轉(zhuǎn)速=832 ÷6 000≈0.14min。

用SolidWorks 三維軟件繪制計(jì)算內(nèi)腔深度吃刀逐層掃描切削軌跡殘留峰值圖，要求達(dá)到圖樣規(guī)定的表面粗糙度值Ra≤0.8μm (見圖4)。

圖4 內(nèi)腔吃刀逐層掃描鏜刀殘留峰值圖

使用機(jī)夾式鏜刀片(代號CCGP060204FLA)，鏜刀修光刃圓角r=0.4mm (參數(shù)來源于大昭和精機(jī)株式會社，BIG+KAISER CK 模塊式鏜刀系列圖冊)。

根據(jù)吃刀深度層間殘留峰值計(jì)算設(shè)定切削參數(shù):

當(dāng)軸向每層吃刀深度≤0.05mm;滿足表面粗糙度值Ra=0.8μm，每層吃刀深度=0.05mm，切削殘留峰值=0.78μm ＜0.8μm，已知工件上半部分加工深度為20mm，孔每加工一層切削時(shí)間=0.15min，每層吃刀深度=0.05mm，可以計(jì)算出上半部分圓弧軌跡插補(bǔ)鏜孔時(shí)間=0.15×(20 ÷ 0.05)=59.8min;工件下半部分環(huán)形腔的深度為30mm，每加工一層的時(shí)間=0.14min，下半部分環(huán)形腔的加工時(shí)間=0.14×(30 ÷0.05)=83.16min;總加工時(shí)間=59.8+83.16=142.96min。

該加工方法主要適用于轉(zhuǎn)速較高的數(shù)控機(jī)床(轉(zhuǎn)速大于8 000r/min)，用SolidWorks 三維軟件繪制計(jì)算切削軌跡殘留峰值圖，在機(jī)床、刀具允許的條件下，盡量提高刀具轉(zhuǎn)速，加大軌跡進(jìn)給速度，提高生產(chǎn)效率。

3.創(chuàng)新點(diǎn)

我部承接某研究所大殼體零件加工時(shí)，首次采用以鏜刀代銑刀逐層掃描的加工方法，高質(zhì)量完成了該項(xiàng)航空產(chǎn)品加工任務(wù)，得到甲方的贊揚(yáng)。該項(xiàng)加工工藝創(chuàng)新，打破了傳統(tǒng)的鏜刀只能加工圓孔的觀念，在高速切削的基礎(chǔ)上，內(nèi)腔粗銑后，鏜刀既可以加工扁孔，也能加工各類型腔，很好地解決了銑削讓刀引起的“倒梯形”或“喇叭口”現(xiàn)象。

4.應(yīng)用和推廣情況

(1)實(shí)際應(yīng)用于某研究所大殼體零件加工(思路起源)，如圖5 所示。

圖5 應(yīng)用以鏜刀代銑刀逐層加工

粗銑內(nèi)形后，鏜刀按編程軌跡差補(bǔ)鏜圓孔、鏜斷續(xù)臺階孔，很好地解決了讓刀“喇叭口”現(xiàn)象和臺階孔與圓孔銜接處產(chǎn)生接刀痕問題。

(2)推廣應(yīng)用于某研究所“U 形架”零件加工，如圖6 所示。

圖6 以鏜刀代銑刀逐層掃描法推廣應(yīng)用

圖7 精密槽放大圖

(3)思路拓展應(yīng)用于加工某外協(xié)廠零件，如圖7、圖8 所示。

加工7 級精度長槽，寬4G7，長6mm，深10mm。銑削會產(chǎn)生讓刀，電脈沖會產(chǎn)生電極損耗形成錐槽，線切割不能加工盲槽。我們采用密排鏜孔，疊壓法加工制成長槽，已知:R=2mm，h≤0.000 8mm。

圖8 零件圖

槽長度方向陣列鏜孔數(shù)=兩端R 中心距÷t=2 ÷0.113≈18 次

(4)公式t=2 ［h (2r -h)］1/2的靈活應(yīng)用:當(dāng)銑削內(nèi)、外直線輪廓時(shí)，若圖樣要求側(cè)面粗糙度3.2μm，使用銑刀直徑φ10=2r，則t=0.358mm;若刀具轉(zhuǎn)速=1 000r/min，則刀具速度=1 000×0.358=358mm/min。

若圖樣要求側(cè)面粗糙度值Ra=1.6μm，使用銑刀直徑φ10=2r，則t=0.253mm，若刀具轉(zhuǎn)速=1 000r/min，則刀具速度=1 000×0.253=253mm/min。

依次套用公式，可以作為選定刀具速度的依據(jù)，最大限度縮短加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

5.經(jīng)濟(jì)效益及社會效益

推廣應(yīng)用于某研究所“U 形架”零件加工，首批零件單件加工費(fèi)用4 萬多元，共加工3 件(見圖6);由于質(zhì)量得到保證，又簽訂、加工了類似零件3批次，共7 件，包括該研究所各批次整套“跟蹤裝置”產(chǎn)品零部件加工、試裝生產(chǎn)，各批次整套產(chǎn)品累計(jì)產(chǎn)值約170 余萬元。

思路拓展應(yīng)用于加工某外協(xié)廠零件，首批零件單件加工費(fèi)用4 千余元，共加工11 件(見圖8);由于質(zhì)量得到保證，又簽訂、加工第二批次。

筆者所在的制造部是精密制造車間，生產(chǎn)的外協(xié)產(chǎn)品大部分是各研究所的重要零件，任何一個(gè)零件出現(xiàn)質(zhì)量問題不僅增加車間生產(chǎn)成本，還將影響公司的形象和履約率。以鏜代銑逐層掃描工藝創(chuàng)新技術(shù)，保證了產(chǎn)品的高質(zhì)量，為公司贏得了好聲譽(yù)。