利用恒線速切削解決鋼鋁錐面連接體變形問題

■ 北方華安集團工業(yè)公司特種機加廠 （黑龍江齊齊哈爾 161006） 信連志

1. 問題的提出

在機械設(shè)計制造中，某些產(chǎn)品為減輕質(zhì)量或提高性能達到設(shè)計性能與使用性能的要求，經(jīng)常設(shè)計成幾種不同材質(zhì)的材料復(fù)合在一起的方式。有些復(fù)合體零件可以根據(jù)材料性能選擇不同的刀具及切削參數(shù)，但有些復(fù)合體零件需要在一個圓弧曲面上連續(xù)加工，既要保證尺寸要求又要保證接縫處光滑，這在選擇刀具與切削參數(shù)上產(chǎn)生了一些困難。例如本文中需要在一條程序段中連續(xù)加工鋼鋁兩種不同材質(zhì)的零件（見圖1），如何使加工刀具及參數(shù)與復(fù)合體零件相匹配，保證產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率，是我們一直追求的目標。

圖 1

2. 原因分析

鋼鋁復(fù)合體零件加工主要問題是兩種不同材質(zhì)的切削刀具與參數(shù)不匹配，刀具的區(qū)別如圖2、圖3所示。

可以看出，鋁質(zhì)刀具較鋒利適合較高的切削轉(zhuǎn)速，鋼制刀具為保證耐用度切削刃較頓，鋼質(zhì)材料的切削轉(zhuǎn)速在400r/min，鋁質(zhì)材料一般為保證表面質(zhì)量，切削轉(zhuǎn)速為700r/min。因為該產(chǎn)品需要在一條加工指令下完成鋼鋁復(fù)合體加工，如果選擇較高的切削轉(zhuǎn)速，鋼質(zhì)刀具耐用度降低，甚至出現(xiàn)燒刀現(xiàn)象。

如果選擇較低的加工轉(zhuǎn)速，鋁質(zhì)刀具出現(xiàn)表面拉毛現(xiàn)象，降低加工效率。該產(chǎn)品在一個程序段中進行圓弧加工，中途不能換刀，又因鋁質(zhì)刀片無法加工鋼件，只能選擇鋼質(zhì)刀片加工鋁質(zhì)材料，加工時轉(zhuǎn)數(shù)過低，表面粗糙度達不到要求，且接縫處由于軟硬過渡時的沖擊，易在接縫處產(chǎn)生波紋棱角及尺寸變化，因此兩種材料在切削參數(shù)選擇上魚和熊掌不可兼得。

3. 解決方法與應(yīng)用

圖 2

圖 3

針對以上原因研究切削力，對進一步弄清鋼鋁復(fù)合件切削機理，對計算功率消耗，對制定合理的切削用量，優(yōu)化刀具幾何參數(shù)等，都具有非常重要的意義。實踐證明，切削力的影響因素很多，主要有工件材料、切削用量、刀具幾何參數(shù)、刀具材料刀具磨損狀態(tài)和切削液等，克服被加工材料對彈性變形的抗力，克服被加工材料對塑性變形的抗力，克服切屑對前刀面的摩擦力和刀具后刀面對過渡表面與已加工表面之間的摩擦力。經(jīng)計算，ML40Cr切削參數(shù)為450～500 r/min、300～350mm/min，鋁的切削參數(shù)為600～800r/min、200～260mm/min。

根據(jù)發(fā)那科系統(tǒng)特點結(jié)合實際情況，決定使用恒線速切削指令解決該問題，因為恒線速切削能隨著工件直徑的變化來改變切削參數(shù)。

該指令格式為：

G50_S_ 主軸最高速度限定

G96_S_ 主軸轉(zhuǎn)速為n=1000u/Πd

該產(chǎn)品為一頂一夾裝夾方式，裝夾比較牢固，因此G50設(shè)定最高轉(zhuǎn)速時，考慮到前部為鋁質(zhì)材料，切削轉(zhuǎn)數(shù)限定為650 r/mim，高轉(zhuǎn)數(shù)可使鋁質(zhì)材料切削輕快，當?shù)竭_鋁質(zhì)材料與鋼質(zhì)材料接縫處時，由于外圓逐漸增大，轉(zhuǎn)速由650r/mim逐漸過度到400r/mim，剛好符合鋼質(zhì)材料切削要求，并在此切削過程中切削速度為恒線速切削。當外圓整體加工完成時由G97取消恒線速切削指令，程序格式如下：

該程序在N80段時一條程序同時加工鋼鋁復(fù)合體零件時，產(chǎn)品表面粗糙度較好，刀具與原來相比有較大節(jié)省，并提高加工效率（見圖4、圖5）。

圖4 鋁質(zhì)加工參數(shù)

圖5 鋼質(zhì)加工參數(shù)

實際加工中鋁質(zhì)材料時轉(zhuǎn)速為659r/min、324mm/min，鋼質(zhì)材料時轉(zhuǎn)速為450r/min、228mm/min，在接縫處平穩(wěn)過度，有效解決鋼鋁切削參數(shù)不兼容的問題以及接縫處波紋棱角問題。

4. 結(jié)語

使用恒線速指令加工鋼鋁復(fù)合體零件，目前在我廠批量生產(chǎn)中以廣泛應(yīng)用，不僅提高了加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，而且節(jié)省刀具使用，并很好的解決了鋼鋁復(fù)合體加工參數(shù)不匹配的問題。

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[1] 張益芳，等.金屬切削手冊[M].上海：上海科學技術(shù)出版社，2011.