高精密孔類以銑代磨工藝技術(shù)研究

■珠海格力精密模具有限公司 （廣東珠海 519070） 鐘曉鷗 林松福

孔加工技術(shù)是金屬切削加工的難點(diǎn)，精密孔加工的難度就更大。批量孔特征的模具為了獲得高精度的孔，對(duì)孔的尺寸精度、幾何形狀和表面粗糙度提出了更高的加工要求，用價(jià)格昂貴的坐標(biāo)磨床能夠滿足上述要求。坐標(biāo)磨床是在坐標(biāo)膛床的結(jié)構(gòu)和加工原理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種精密機(jī)床，是精密模具加工的關(guān)鍵設(shè)備，可用于加工磨削模具中的各類坐標(biāo)孔。但其生產(chǎn)成本高且效率低，大部分企業(yè)都無法進(jìn)行大規(guī)模采購(gòu)并投入生產(chǎn)。

1. 磨削加工現(xiàn)狀

如圖1所示，精密翅片模具存在大量高精密孔。翅片模的沖孔子模和二次翻邊子模里的沖頭孔對(duì)精度要求高（尺寸公差3μm，位置公差5μm，表面粗糙度值 Ra＜0.5μm）。如果采用高精度的CNC加工中心和高品質(zhì)的刀具鉸、鏜加工工藝來精心操作，個(gè)別孔能夠達(dá)到圖樣要求。但鏜孔數(shù)量過多，容易造成操作失誤，若有一個(gè)孔超差，則整塊模板報(bào)廢。因此，目前大多采用坐標(biāo)磨床（Gri-JG）來加工，但是坐標(biāo)磨床屬于稀缺、高費(fèi)率設(shè)備，設(shè)備產(chǎn)能受限會(huì)影響模具的加工進(jìn)度，設(shè)備的高費(fèi)率會(huì)增加模具的加工成本。再者，JG的加工效率低，磨削一個(gè)φ 12×50mm孔大約需要35分鐘，加工一套翅片模具需要半個(gè)月左右，產(chǎn)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)需求。

圖1 精密翅片模具

2. 工藝革新探索

品質(zhì)好的加工中心（ 如YASDA、RODERS等）具有良好的定位精度和重復(fù)定位精度，擁有坐標(biāo)磨床的先天優(yōu)勢(shì)。以這些加工中心為平臺(tái)來解決孔加工銑削直徑精度問題，可以實(shí)現(xiàn)以銑代磨工藝。

（1）刀具方案 CNC加工中心使用刀具代替坐標(biāo)磨床的砂輪，因此需研究刀具如何保證銑削圓孔的精度。刀具接觸刃面積與其切削阻力成正比，廠家在設(shè)計(jì)刀具時(shí)，通常標(biāo)準(zhǔn)刃長(zhǎng)≥2.5D（D為刀具直徑），加工90°側(cè)壁圓孔底部時(shí)，切削刃全部接觸到孔壁，導(dǎo)致切削阻力增大引起彈刀，影響加工精度和表面粗糙度，產(chǎn)生波浪紋，加工效果如圖2所示。

針對(duì)上述彈刀出現(xiàn)波浪紋現(xiàn)象，調(diào)研現(xiàn)場(chǎng)加工工況。如圖3所示，在實(shí)際加工中，刀具普遍刃長(zhǎng)在3D以上，銑削加工時(shí)接觸刃多，切削刃接觸面積大，加工阻力也大，刀具螺旋槽成比例增長(zhǎng)，刀具剛性減弱。當(dāng)零件表面有高精度要求時(shí)，對(duì)刀具剛性影響尤為明顯。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)刀具的加工效果

圖3 3D刃長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)刀具

針對(duì)這一現(xiàn)象，設(shè)計(jì)制造非標(biāo)短刃整體硬質(zhì)合金刀具，經(jīng)多次測(cè)試和改善，優(yōu)化后的刀具設(shè)計(jì)可明顯改善零件表面的加工質(zhì)量，設(shè)計(jì)方案如圖4所示，各刀具技術(shù)參數(shù)如下：

圖4 非標(biāo)短刃整體硬質(zhì)合金刀

1）刃長(zhǎng)設(shè)計(jì)為1D，可最大限度保證刀具剛性，減少加工時(shí)切削刃接觸面，從而減小加工阻力，同時(shí)也縮短了刀具螺旋槽長(zhǎng)度，增加了刀具剛性。

2）刀具避空直徑比D 小0.1mm，保證加工時(shí)刀具柄部不會(huì)擦傷零件表面，同時(shí)也最大限度保證了刀具剛性。

3）刀具有效長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為5D，在保證刀具剛性的同時(shí)提高了實(shí)際加工零件時(shí)的通用性，可減少編程和加工現(xiàn)場(chǎng)的刀具庫(kù)存，降低成本。

（2）加工工藝 如圖5 所示，分析坐標(biāo)磨床磨削孔時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，再利用CAM編程策略的螺旋插補(bǔ)功能找到相同的刀路軌跡策略。螺旋插補(bǔ)是指在指定平面內(nèi)兩軸聯(lián)動(dòng)的圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)與另一軸上的直線運(yùn)動(dòng)同步且同時(shí)到達(dá)目標(biāo)位置。螺旋插補(bǔ)銑削具有恒接觸、切入切出次數(shù)少和圓度好等優(yōu)點(diǎn)。新工藝運(yùn)用CAM編程策略的螺旋插補(bǔ)功能優(yōu)點(diǎn)，采用低轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給和大吃刀量的參數(shù)進(jìn)行螺旋銑削加工。以圓孔直徑為φ12.1mm的孔為例，螺旋插補(bǔ)刀路如圖6所示，加工工藝見表1，方案研究如下：

圖5 坐標(biāo)磨床研磨圓孔

1）采用單次啄孔策略，高效去除粗銑余量。

2）采用1D刃長(zhǎng)非標(biāo)刀具，留量0.02mm，用半精螺旋插補(bǔ)策略銑削，初次均勻去除余量，同時(shí)修正鉆頭導(dǎo)致的孔位置偏差。

3）采用1D刃長(zhǎng)非標(biāo)刀具，留量0.005mm，用精銑螺旋插補(bǔ)策略銑削，再次均勻去除余量，使孔壁余量保持幾乎均勻的理想狀態(tài)。

4）采用1D刃長(zhǎng)非標(biāo)刀具，留量0mm，用精銑螺旋插補(bǔ)策略銑削，單孔做一次試加工，然后在機(jī)檢測(cè)孔直徑，再根據(jù)實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)，調(diào)整刀具補(bǔ)償量，進(jìn)行最終的批量孔加工。

圖6 螺旋插補(bǔ)刀路

如圖7所示，通過上述銑削工藝，實(shí)測(cè)零件表面粗糙度值Ra＝0.4μm，直徑為12.103mm，精度達(dá)到圖樣公差要求。在新、舊工藝都可達(dá)到技術(shù)要求的前提下，新工藝效率提升一倍以上，具體對(duì)比見表2。

3. 各切削要素

圖7 以銑代磨零件圓孔精度和粗糙度

在加工高精圓孔時(shí)，為了滿足加工深度，刀具越大越好，這樣可以保證刀具剛性。但矛盾的是刀具越大，加工環(huán)繞的刀路軌跡就越短，為了保證孔徑和圓度，進(jìn)給速度就要慢，但是降低了加工效率。要保證加工效率，對(duì)應(yīng)的背吃刀量ap就要加大，但背吃刀量過大，又會(huì)反過來影響孔表面粗糙度，使孔徑尺寸精度變差。所以切削刀徑D、切削轉(zhuǎn)速n、切削進(jìn)給速度vf和背吃刀量ap相輔相成、互為影響，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況測(cè)試取得。

精加工刀具直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，必須定期檢測(cè)并更換精加工刀具。如此精度的尺寸，刀具磨損超限會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品超差，因此需進(jìn)行刀具壽命管控。目視刀具涂層磨損情況和使用高倍的對(duì)刀儀檢測(cè)，能有效判斷刀具磨損情況。在涂層脫落或刀尖跳動(dòng)超出0.006mm的情況下及時(shí)更換刀具，保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

表2 新、舊工藝質(zhì)量及效率對(duì)比

4. 結(jié)語(yǔ)

采用高精度加工中心以銑代磨新工藝代替三井坐標(biāo)磨床來加工高精密孔類，加工精度高可達(dá)3μm、表面粗糙度值R a＝0.4μm、加工效率提高1倍以上、加工成本可降65%以上，且質(zhì)量穩(wěn)定可控。在一定條件下，新工藝可以替代價(jià)格極其昂貴的精密坐標(biāo)磨床磨削工藝，充分利用企業(yè)的機(jī)床資源，降低生產(chǎn)成本。以銑代磨加工技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用能帶動(dòng)整個(gè)制造業(yè)的進(jìn)步，提升效益,是現(xiàn)代切削加工技術(shù)的發(fā)展方向，具有重要的理論研究與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。