多要素綜合試件設(shè)計(jì)加工與刀具應(yīng)用

■ 東北工業(yè)集團(tuán)吉林東光奧威公司 （長(zhǎng)春 130012） 劉振利

■ 長(zhǎng)春科技學(xué)院汽車機(jī)械工程學(xué)院 （吉林 130600） 劉 剛 郭 墅

要素是構(gòu)成零件幾何特征的點(diǎn)、線、面。不同形狀的基本幾何特征構(gòu)成多樣化的零部件和產(chǎn)品。在數(shù)控加工領(lǐng)域，不同要素的加工是從業(yè)人員必須掌握的技能，更是加工復(fù)雜要素的基礎(chǔ)。在制造領(lǐng)域，機(jī)械類產(chǎn)品的加工都離不開(kāi)數(shù)控刀具，掌握數(shù)控刀具的合理應(yīng)用，在加工成本控制、提高生產(chǎn)效率方面至關(guān)重要。這里將介紹1個(gè)比較典型的綜合試件的加工方法和刀具的應(yīng)用情況。

圖1

圖2

1. 試件的構(gòu)成

該綜合件的實(shí)體造型使用的是CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)和制造工程師軟件，為了較全面地體現(xiàn)各種要素加工特點(diǎn)和刀具的使用，在試件中設(shè)計(jì)有薄壁、異形、螺紋、曲面、型腔、凸臺(tái)、斜面和圓弧連接等許多特征。在造型過(guò)程中，使用了拉伸增料、除料、旋轉(zhuǎn)和掃描等功能。

試切件毛坯尺寸為120mm×80mm×40mm，件1采用2A12材料加工（見(jiàn)圖1），件2采用45鋼材料加工（見(jiàn)圖2）。

（1）件1的設(shè)計(jì)：為了在加工時(shí)體現(xiàn)面銑刀的使用，將試件總體厚度由毛坯尺寸厚度40mm降低到39mm，由面銑刀來(lái)銑削完成。在正面，主題設(shè)計(jì)要素為圓弧連接，一個(gè)多曲線連接構(gòu)成類似葫蘆形輪廓，上面有一個(gè)50mm×30mm的橢圓，橢圓上表面為曲面，橢圓中間φ20mm的孔壁內(nèi)有3條均勻分布的螺旋槽（見(jiàn)圖3）。在類似橢圓的異形輪廓上有兩個(gè)成形槽孔（見(jiàn)圖4）。螺旋槽、成形槽孔將使用成形刀具完成加工。

件1的背面以斜線、圓孔、薄壁和螺紋設(shè)計(jì)為主，在表面上留有刻字和LOGO的位置。件1工藝尺寸如圖5所示。

（2）件2的設(shè)計(jì)：件2采用了與件1相配合的結(jié)構(gòu)，具有件1的特點(diǎn)，在正反兩面以型腔、輪廓和大孔為主，同時(shí)增加了攻螺紋和鉸孔加工的元素。工藝尺寸如圖6所示。

圖3 局部剖切放大

圖4 局部剖切放大

圖5 件1工藝圖

圖6 件2工藝圖

圖7

圖8

2. 工藝路線

加工路線的選擇關(guān)系到零件的加工質(zhì)量和表面粗糙度，路徑的優(yōu)劣會(huì)影響到加工效率，并且加工路徑的選擇也會(huì)影響到刀具的使用壽命。加工路線的安排一般遵照先面后孔，先粗后精，先主后次的原則。銑削走刀路線一般采用順銑的原則，這樣可以保證加工表面硬化小，形成的切屑由厚變薄，減少刀具摩擦，提高刀具使用壽命。

銑削大平面時(shí)，銑削寬度選擇刀具直徑的70%～80%，切入工件時(shí)采用圓弧切入，刀具盡量不要離開(kāi)表面，保證刀具連續(xù)切削，平面有孔或槽時(shí)一般安排在銑平面后，這樣可以避免斷續(xù)切削對(duì)刀具刃口的沖擊。減少停頓和振動(dòng)。通過(guò)對(duì)試切件圖樣的分析，分別確定了下面的加工路線。

3. 件1加工路線

（1）用平口鉗夾緊工件，保證上表面加工的深度。件1為鋁質(zhì)材料，為了不夾傷工件表面最好墊上薄銅皮。使用φ40mm方肩立銑刀銑削平面保證39mm尺寸，走刀路線如圖7所示。

（2）粗加工異形凸臺(tái)、橢圓和葫蘆形外輪廓：刀具使用φ20mm方肩立銑刀。高速機(jī)床應(yīng)以小切深、快進(jìn)給進(jìn)行切削，不但能快速去除余量，也能提高刀具的壽命，如圖8所示。

（3）φ10mm的整體合金立銑刀完成異形凸臺(tái)、橢圓和葫蘆形外輪廓精加工，保證工藝所要求的尺寸。

（4）鉆φ20+0.03+0mm底孔，鉆成形槽孔φ（21.5±0.15）mm的底孔：φ20+0.03+0mm孔的加工可以采用鉆→擴(kuò)→鉸的工藝完成，如果機(jī)床精度較好，可以采用鉆孔→銑孔的方式以提高效率，并可以對(duì)孔徑進(jìn)行控制，有利于孔軸的直線度。銑孔采用螺旋下刀銑削方式，孔壁沒(méi)有進(jìn)刀痕。

（5）銑兩個(gè)φ（21.5 ±0.15）mm成形槽孔：這種槽孔的加工一般采用的是鉆底孔——成形扁鉆加工φ（18±0.215）mm、φ19.2+0.2+0mm等臺(tái)階底孔——槽刀銑削φ（21.5 ±0.15）mm，在這里我們采用鉆底孔——成形槽刀銑削的加工方式加工，這樣可以減少中間成形扁鉆的加工工步，也可以避免在修改程序時(shí)，由于修改錯(cuò)誤造成φ（21.5 ±0.15）mm與φ（18±0.215）mm、φ19.2+0.2+0mm等臺(tái)階孔不同心的問(wèn)題。就是說(shuō)可以鉆完底孔后，用成形的槽銑刀直接把所用的尺寸全部加工出來(lái)，提高效率，節(jié)省了刀具費(fèi)用，保證了加工準(zhǔn)確性（所用刀具見(jiàn)圖9）。

（6）銑3個(gè)螺旋槽：該螺旋槽常見(jiàn)于某汽車零部件的主孔內(nèi)加工，孔一般比較深，在側(cè)壁上加工螺旋槽的刀具較長(zhǎng)，容易產(chǎn)生振紋，通過(guò)改變成形刀具的角度和形狀后，能夠銑削出較光滑的表面，滿足技術(shù)要求，加工時(shí)可編出一個(gè)加工程序，通過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)完成另外兩條螺旋線（所用刀具見(jiàn)圖10）。

圖9

圖10

圖11

（7）銑橢圓上表面的圓弧面：使用φ8.0mm的球刀完成加工。為保證球面的光滑，刀具切削刃要鋒利，高轉(zhuǎn)速，步距取得要盡量小些，精加工一般小于0.05mm效果會(huì)好些。

（8）倒角：倒角刀完成工藝上倒角加工要求。注意倒角時(shí)既要保證倒角光滑，又要避免振紋的產(chǎn)生。

（9）卸下工件，去毛刺，翻轉(zhuǎn)加工另一面。

（10）粗銑四邊形和外輪廓：使用φ40mm方肩立銑刀銑削平面保證尺寸。注意銑削路線的安排和進(jìn)刀方式的選擇（見(jiàn)圖11）。

（11）粗銑四邊形內(nèi)腔輪廓：使用φ10mm整體合金立銑刀，在加工正面時(shí)已經(jīng)加工出四邊形中間的大孔，進(jìn)刀可以采用垂直進(jìn)刀方式。可以減少加工時(shí)間。

（12）精加工：使用φ10mm整體合金立銑刀完成對(duì)四邊形內(nèi)外輪廓和外形輪廓的精加工。

（13）銑M24×1.5mm螺紋：采用螺紋銑刀銑削螺紋。

（14）刻字和LOGO的加工，使用刻字刀具完成所要求的刻字內(nèi)容的加工。因?yàn)榈逗苄。捎酶咿D(zhuǎn)速、小切深加工，注意軸向進(jìn)給速度不要過(guò)大（見(jiàn)圖12）。

（15）倒角：倒角刀完成工藝上倒角加工要求。

4. 件2工藝路線

件2和件1具有類似的形狀，加工工藝的的安排大體相同，同樣要注意走刀路徑的安排和進(jìn)刀方式的選擇。該工件為45鋼件，刀具應(yīng)該使用YT類，也就是P類的刀具或刀片。切削參數(shù)的選擇，在粗加工時(shí)應(yīng)以刀具耐用、快速去除余量為主。精加工時(shí)以提高表面粗糙度質(zhì)量為主，轉(zhuǎn)速盡量高些。

正面加工路線：如表1所示，在表中我們可以看到工步1和工步3增加了鉆底孔工序，是為了在銑異型輪廓時(shí)便于垂直進(jìn)刀，同時(shí)在背面加工φ20mm孔時(shí)，也要預(yù)鉆出底孔。這樣在銑削輪廓進(jìn)刀時(shí)可減少銑刀的磨損，從刀具成本上考慮比較有利。

背面加工路線如表2所示，半凹槽輪廓側(cè)壁具有10°的斜面，側(cè)壁底邊為圓弧連接。該輪廓加工用φ20mm刀具開(kāi)粗后，φ8r4mm球刀進(jìn)行精加工。為保證表面粗糙度步距不宜過(guò)大，φ8mm孔采用鉆→擴(kuò)鉸完成加工。

所使用的刀具情況如表3所示。

表1 件2正面

表2 件2背面

表3 刀具使用情況

5. 結(jié)語(yǔ)

以上論述就是該綜合試件的切削加工、工藝安排和刀具使用情況。金屬加工技術(shù)需要多種基礎(chǔ)知識(shí)來(lái)支撐，刀具的使用需要豐富的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累。不同的刀具、不同的加工材料都有相應(yīng)的切削參數(shù)范圍。掌握合理的切削原理、刀具結(jié)構(gòu)和刀具材料在延長(zhǎng)刀具使用壽命、降低生產(chǎn)成本上會(huì)有很大的幫助，只有那樣才能加工出更加精確、更加理想的產(chǎn)品。

圖12

參考文獻(xiàn)：

[1] 金屬加工雜志社，哈爾濱理工大學(xué). 數(shù)控刀具選用指南[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2] 楊叔子. 機(jī)械加工工藝師手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3] 陸劍中，孫家寧. 金屬切削原理與刀具[M]. 5版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.