基于加工中心的大尺寸深腔之精加工方法

郭偉民

(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州 450046)

1 工藝分析

在利用加工中心進(jìn)行模具制造的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)加工一些用于配合的型腔，如圖1所示。

假定其毛坯為鑄件，單邊留有約為10 mm的加工余量。顯然，該件形狀并不復(fù)雜，只是長(zhǎng)、寬、高基本尺寸大，500 mm×350 mm×150 mm;而公差又小(0.03 mm)，加工難度偏大，容易造成加工時(shí)間長(zhǎng)。集中表現(xiàn)為4個(gè)問(wèn)題:

(1)鑄件毛坯的圓弧R15過(guò)渡部分的余量較大，而且該部位在內(nèi)壁的加工過(guò)程中容易抗刀、傷刀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致工件移動(dòng)，所以應(yīng)該考慮如何有效加工該部分。

(2)內(nèi)壁和底面尺寸大、精度高，精加工過(guò)程中，刀具易磨鈍，加工時(shí)間很容易變長(zhǎng)。所以在保證質(zhì)量的前提下，應(yīng)該考慮如何縮短該部分的加工時(shí)間。

(3)精加工尺寸的檢測(cè)也很關(guān)鍵。選用什么樣的量具檢測(cè)，如何檢測(cè)，直接關(guān)系到精加工尺寸的準(zhǔn)確性和有效性。

(4)內(nèi)壁與底面之間如何圓滑過(guò)渡(R5的加工)，不留接痕。

對(duì)此有沒(méi)有什么較好的辦法，能夠高效高質(zhì)量地完成這類(lèi)深腔的加工呢?

2 解決辦法

根據(jù)以上分析和實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，提出以下加工方法:首先加工出四周內(nèi)壁之間的圓弧過(guò)渡部分，再分別對(duì)內(nèi)壁和底面進(jìn)行粗加工和精加工，最后加工底面與內(nèi)壁間的圓弧。具體如下。

2.1 清理四周的圓弧過(guò)渡部分(R15)

該部分是可以在整個(gè)內(nèi)壁的加工過(guò)程中附帶加工的，通常也可以這么做。但容易出現(xiàn)的問(wèn)題是:

(1)因余量大而傷刀、甚至導(dǎo)致工件移動(dòng)。換刀或重新確定工件坐標(biāo)系，都會(huì)增加加工時(shí)間;不僅如此，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)工件已經(jīng)移動(dòng)而繼續(xù)加工的話(huà)，最終可能導(dǎo)致工件報(bào)廢。

(2)余量不很大，但抗刀，刀具每走到此處就發(fā)出聲響，加工表面質(zhì)量很差。因此，每加工到該處就只好大幅度降低走刀速度(正常走刀速度的一半，甚至更低)，并調(diào)低轉(zhuǎn)速，結(jié)果不但延長(zhǎng)了加工時(shí)間，也增加了操作難度，而且表面質(zhì)量往往不理想。

基于此，建議首先把四周的圓弧過(guò)渡部分(R15)加工出來(lái)。由于該部位是自由公差，非配合面，其實(shí)際作用是讓位和避免應(yīng)力集中，因此加工時(shí)，在照顧到圖紙要求的同時(shí)，要盡可能消除加工內(nèi)壁時(shí)在此處容易發(fā)生的抗刀現(xiàn)象。具體怎么加工呢?有以下兩種選擇:

(1)可以選用直徑相對(duì)小一些(不發(fā)生干涉)的立銑刀，進(jìn)行大吃刀量的內(nèi)圓弧切削(編程)，通過(guò)調(diào)整刀補(bǔ)可使實(shí)際圓弧略大(0.3～0.5 mm)。由于加工面小，吃刀量又大，加工時(shí)間不會(huì)很長(zhǎng)，只是增加了編程時(shí)間;但這種程序簡(jiǎn)單、不費(fèi)事，加工起來(lái)也方便、安全。

(2)如果有和圓角直徑正好相近的立銑刀(如圖1所示，若R=15 mm，自由公差，則可用φ(30±2)mm的立銑刀)，尤其假若是鍵槽銑刀(如圖2所示)的話(huà)，建議像鉆孔那樣，自上而下加工這4個(gè)圓角，從而可以在更短時(shí)間內(nèi)完成加工。

圖2 鍵槽銑刀

至于刀徑的選擇，可以按圖紙尺寸的公差下限選擇刀徑(≥φ28 mm)，并根據(jù)實(shí)際刀徑確定實(shí)際圓心(較圖紙上的名義位置稍稍外移)，讓圓弧相應(yīng)外移，從而避免加工內(nèi)壁時(shí)的抗刀現(xiàn)象;也可以按圖紙尺寸的公差上限選擇刀徑(≤φ32 mm)，并按圖紙上的圓心位置進(jìn)行加工，圓弧也讓出來(lái)了。后者更簡(jiǎn)單實(shí)用。

刀具和加工位置確定以后，手動(dòng)操作就可以在很短時(shí)間內(nèi)完成4處圓弧的加工，表面質(zhì)量和尺寸亦有保證，并為內(nèi)壁的順利加工奠定了基礎(chǔ)。

至于深度方向的尺寸(根部有R5)，考慮到與底面之間的圓弧過(guò)渡，可以留5.1 mm的余量，待整個(gè)底面的主要部分精加工完成后，選擇合適的刀具，測(cè)量高度差并加工。

把上面的問(wèn)題再延伸一下。如果內(nèi)腔面積較小，未鑄出，圓弧也不是很大，怎么加工好呢?如圖3所示，建議在相應(yīng)位置用普通鉆頭鉆孔。思路和前面說(shuō)的一樣，既要出形狀，也要避免抗刀現(xiàn)象。加工出來(lái)的孔亦可作為粗加工內(nèi)腔的下刀位置。

總之，在對(duì)四周的內(nèi)壁進(jìn)行粗加工之前，有必要先完成圓弧過(guò)渡部分(R15)的加工。

圖3 型腔未鑄出的毛坯

2.2 對(duì)四周的內(nèi)壁進(jìn)行粗加工(單邊余量0.3～0.5 mm)

加工之前應(yīng)對(duì)余量有所了解(測(cè)量)。假定單邊余量是10 mm左右，那么選用哪種刀具合適呢?建議選擇形如圖4所示的粗加工銑刀(一些材料上稱(chēng)之為波刃銑刀或粗皮銑刀)。在余量為單邊10 mm的情況下，結(jié)合所用刀具粗細(xì)(文中刀徑不大于30 mm)，一次吃刀量可在50～80 mm左右，而進(jìn)給速度也可以達(dá)到F100左右，可以實(shí)現(xiàn)快速、安全的加工。

圖4 粗銑刀

2.3 加工底面

如果有形如圖5所示的R5牛鼻刀(圓弧銑刀)，加工就會(huì)快很多。這類(lèi)刀具剛性好，加工質(zhì)量好，并可捎帶著加工出大部分圓角R5(若刀徑大于φ30 mm，內(nèi)壁過(guò)渡圓弧R15處的R5不能加工)。可以采用行切加環(huán)切的加工路徑，并高轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給速度(F≥800);如果余量在10 mm左右的話(huà)，分2～3次分層粗加工，然后檢查刀片工作部位磨損狀況(必要時(shí)轉(zhuǎn)換刀片)，測(cè)量余量并進(jìn)行精加工。其刀徑大于φ30時(shí)，在圓弧R15附近出現(xiàn)的未加工部分，可用直徑不大于φ30的R5圓弧銑刀代勞。

圖5 牛鼻刀

但有一個(gè)問(wèn)題，即牛鼻刀的圓角和工件根部的圓角不一樣時(shí)，怎么辦?可以分別用不同的刀具加工底面和根部圓角，即根部圓角單獨(dú)加工。其實(shí)根部圓角R5在實(shí)際應(yīng)用中僅起讓位作用，避免應(yīng)力集中，因而實(shí)際尺寸宜略小而不宜大。加工該部位的刀具滿(mǎn)足以下兩點(diǎn)即可:

(1)刀尖部位是圓弧R5;

(2)避免刀桿部分和內(nèi)壁的摩擦。

因此，單件生產(chǎn)的話(huà)，考慮到經(jīng)濟(jì)性，沒(méi)必要購(gòu)買(mǎi)具有相應(yīng)圓弧的牛鼻刀;可以結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在現(xiàn)有刀具中選擇和制作，雖然這會(huì)增加工作量。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)看到刀徑大于φ25 mm的2刃立銑刀，其桿部直徑標(biāo)準(zhǔn)化了，固定為某一尺寸(比如φ25 mm)，因而桿部直徑小于刀徑。當(dāng)這種刀具用到一定程度，其刃長(zhǎng)越磨越短(圖6所示刃長(zhǎng)剩8 mm)，此時(shí)可將其改造為如圖6所示的圓弧銑刀，專(zhuān)門(mén)用來(lái)清根。

圖6 圓弧銑刀

2.4 四周內(nèi)壁的精加工

受圓弧R15的限制，所選刀徑不能很粗，但最好略小于φ30 mm，以提高剛性。如圖7所示的4刃精加工立銑刀就可以。對(duì)刀徑要準(zhǔn)確測(cè)量，裝刀后有必要在主軸上檢測(cè)其旋轉(zhuǎn)時(shí)的擺動(dòng)情況。然后，按粗加工的最大余量所確定的尺寸試加工一遍，測(cè)量，并依此修改刀補(bǔ)之后，才可繼續(xù)加工。

圖7 精加工立銑刀

在內(nèi)壁精加工過(guò)程中，容易出現(xiàn)3個(gè)問(wèn)題:

(1)凸筋。是由于刀具某一高度上的側(cè)刃損壞而造成的。解決辦法是:在最后一、兩遍精加工之際，把加工深度值Z上下微調(diào)(0.3～0.5 mm)一下，如圖8所示。

(2)斜面。指在加工過(guò)程中，內(nèi)壁上部尺寸偏大而下部尺寸偏小，始終呈斜面。如果此時(shí)再換新刀，費(fèi)時(shí)費(fèi)力風(fēng)險(xiǎn)大，效果不佳。

出現(xiàn)這種情況后，在最后一遍精加工之前，采用一、兩遍逆銑，往往很出效果。

(3)接痕。即在根部圓角R5與內(nèi)壁過(guò)渡地帶容易有接痕。在精加工立銑刀對(duì)刀準(zhǔn)確的情況下，把加工圓角R5的刀具的有關(guān)參數(shù)(Z坐標(biāo)和刀補(bǔ))進(jìn)行調(diào)整，消除接痕。

最終的表面質(zhì)量應(yīng)該是:目測(cè)，表面呈現(xiàn)均勻、近似于平行的豎線(xiàn)，而非斜線(xiàn);手感光滑均勻。

圖8 側(cè)壁精加工

2.5 檢測(cè)

在這種尺寸公差小的加工過(guò)程中，準(zhǔn)確測(cè)量很重要。高度尺寸H可利用百分表準(zhǔn)確測(cè)量;內(nèi)腔的長(zhǎng)寬(L×B)用什么測(cè)量好呢?

加工過(guò)程中可以用內(nèi)徑千分尺。但內(nèi)徑千分尺兩端的工作面很小，接觸面有限，往往不能反映全貌;而且操作者用力大小不同，效果也略不同;還有千分尺和被測(cè)量面的垂直關(guān)系也難保證。因此最終檢測(cè)時(shí)，比較權(quán)威的測(cè)量工具應(yīng)該是量塊。如圖9所示，根據(jù)尺寸，把若干個(gè)量塊研合后，用手輕輕平推進(jìn)去，剛好嵌入，不晃動(dòng)，從上到下、從前到后均可勉強(qiáng)滑動(dòng)，表明尺寸合格。此時(shí)的尺寸接近下偏差值，這也符合使用要求。

圖9 量塊測(cè)量

用這種方法作為最后測(cè)量，比用內(nèi)徑千分尺測(cè)量更準(zhǔn)確、更權(quán)威。

3 結(jié)束語(yǔ)

這類(lèi)深腔在模具制造企業(yè)經(jīng)常遇到，在加工中心上一次裝夾后可以完成全部加工，掌握其有效的加工方法會(huì)有助于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。其他材質(zhì)(比如鋁合金)的內(nèi)腔的加工，也可借鑒此法。文中提到的一些加工技巧在類(lèi)似的情形下也可使用。

隨著新工藝、新材料的發(fā)展，在條件(設(shè)備和刀具)許可的情況下，這種深腔的加工也可以實(shí)現(xiàn)局部或全部高速加工。