環(huán)形斜槽的數(shù)控仿真加工研究*

李麗萍

(廈門工學院 機械科學與電氣工程學院，福建 廈門 361021)

0 引言

軸類零件在機器裝配中主要起支承、傳遞動力等作用，其表面特征有內外圓柱面、內外圓錐面、軸肩、槽和螺紋等，其中槽的類型主要有退刀槽、外圓槽、內孔槽等[1]，槽形主要以直槽、斜槽為主，而環(huán)形直槽和斜槽的常見加工方法是采用槽刀在車床上完成加工。環(huán)形斜槽因其結構特殊性，加工前必須充分考慮斜槽的結構特征及槽刀的結構參數(shù)，合理選擇工藝路線和切削用量。本文參考廈門工學院機械類專業(yè)學生在金工實習中常采用的3 mm寬的左刀尖高速鋼槽刀加工環(huán)形斜槽的實例，應用斯沃數(shù)控仿真加工軟件，探索環(huán)形斜槽的數(shù)控加工方法、常見加工問題及解決方案，給軸類零件環(huán)形斜槽的數(shù)控加工提供仿真加工實踐參考。

1 斜槽的仿真加工舉例

1.1 加工工藝路線分析

被加工零件如圖1所示，該零件表面上有兩類斜槽，分別是寬度為4 mm、斜度30°的環(huán)形斜槽及尺寸為6 mm×2 mm、斜度為45°的單邊右斜槽。打開斯沃數(shù)控仿真軟件，毛坯尺寸可選為Φ36×84，材料為低碳鋼，按如下加工工藝規(guī)程進行仿真加工：

(1)裝夾毛坯，毛坯伸出卡盤長度約70 mm。

(2)采用外圓車刀平端面并完成對刀。

(3)粗、精加工圖1中從左往右至Φ34臺階結束處，即Z-59，并滿足軸向尺寸要求。

(4)槽刀加工兩處30°雙向環(huán)形斜槽至尺寸要求(槽刀徑向進刀，且徑向留0.2 mm精加工余量，底部軸及雙向斜邊精加工)。

(5)零件調頭，卡盤夾Φ34外圓，滿足軸向尺寸平端面并完成對刀。

(6)粗、精加工圖1從右往左輪廓至Z-26處。

圖1 零件圖

(7)槽刀加工6 mm×2 mm環(huán)形右斜槽至尺寸要求(槽刀軸向步距2 mm，徑向進刀，徑向留0.2 mm精加工余量，底部軸向及右側斜面精加工)。

(8)粗、精加工螺紋M24×1.5至零件圖上的尺寸要求。

按照圖1零件進行數(shù)控仿真加工，各工序刀具及切削用量[2]的選擇如表1所示。

表1 刀具及切削用量

1.2 雙向環(huán)形斜槽的仿真加工

根據(jù)加工工藝規(guī)程，工件首次裝夾應完成前述1.1中的(1)～(4)，所以刀具T01平端面后應完成T01、T02、T03的對刀，且在30°雙向環(huán)形斜槽加工前，工件的仿真加工已完成工藝規(guī)程的(1)～(3)，對應的完成狀態(tài)如圖2所示。

圖2 30°斜槽加工前工件形態(tài)

根據(jù)30°雙向環(huán)形斜槽的加工精度及表面質量要求，選擇T03進行加工時，采用步距2 mm、徑向進刀的方式，徑向單邊留0.2 mm精加工余量。兩次徑向走刀后完成粗加工，斜槽的雙側斜面及槽底的精加工通過一次走刀完成。采用如表2所示的數(shù)控加工程序，斯沃數(shù)控仿真加工結果如圖3和圖4所示。

圖3 第一個雙向斜槽加工結果 圖4 第二個雙向斜槽加工結果 圖5 單向環(huán)形斜槽加工前工件形態(tài)

表2 雙向斜槽的數(shù)控加工程序

1.3 單向環(huán)形斜槽的仿真加工

工件掉頭裝夾，夾持Φ34外圓處，采用T01車削平右端面，保證零件的軸向尺寸加工精度，并完成T01、T02、T03和T04的對刀，在6 mm×2 mm單向環(huán)形斜槽加工前，工件的仿真加工已完成工藝規(guī)程的(1)～(6)，工件的仿真加工完成狀態(tài)如圖5所示。

T03刀寬3 mm，步距2 mm，故6 mm×2 mm單向斜槽的粗加工應從槽的左側開始采用3次直進法完成切割，粗加工時單邊留0.2 mm的軸向精加工余量。然后將T03定位在斜面開始處(即X24Z-17)，通過一次走刀完成斜面精加工及橫向切削修光。其數(shù)控程序如表3所示，仿真加工結果如圖6所示。

圖6 單向環(huán)形斜槽加工結果

表3 6 mm×2 mm單向斜槽的數(shù)控加工程序

2 斜槽加工常見問題及優(yōu)化建議

2.1 斜槽加工常見問題

帶倒角的環(huán)形斜槽看起來簡單，但因其結構要求的特殊性，在實際加工時存在以下常見問題：

(1)因刀寬與槽寬不相等、槽的表面質量要求較高帶來的編程及加工問題。當槽寬大于刀寬時，應根據(jù)實際情況合理安排步距，采用多次徑向進刀法完成零件的切削加工[3，4]。當槽的表面質量要求較高時，應合理安排粗、精加工，通常留出0.15 mm～0.2 mm的精加工余量，斜槽倒角與槽底精加工安排在一次切削加工中完成。

(2)因退刀路線安排不合理產(chǎn)生碰撞問題，引起槽刀損壞或零件破損。斜槽加工的退刀方式與直槽加工的退刀方式一致，先徑向(X向)退刀，再軸向(Z向)退刀；如果先退軸向再退徑向，則會發(fā)生碰撞問題。

(3)斜槽因深度尺寸大帶來的加工難題。當槽的深度尺寸較大時，應根據(jù)槽深與槽寬的尺寸比例關系[5]，合理安排數(shù)次徑向進刀，每次徑向進刀完成一定深度的切削加工后，須有相應的退刀操作。為提高加工效率，每次徑向進刀后的退刀距離應小于進刀量，反復幾次，直到槽的切削加工完成為止(與深孔的加工類似)。

2.2 優(yōu)化斜槽加工

斜槽加工應根據(jù)其加工特點進行優(yōu)化，主要有以下幾種方案：

(1)優(yōu)化加工順序。因工件強度在斜槽加工前后的變化程度較大，故最佳加工順序是保證斜槽及各工序加工質量的主要途徑。因此外圓、內孔通常安排在斜槽加工前，螺紋則安排在斜槽加工后。

(2)優(yōu)化切削用量。切削速度和進給量對斜槽的加工精度和表面粗糙度起了關鍵作用，不合理的切削用量不僅會給切削加工工藝系統(tǒng)帶來顫振，而且會大大降低槽刀的使用壽命。切削用量的選擇需綜合工件材料的性質、槽刀的幾何形狀等方面考慮，如本文中例子，采用的是高速鋼材料的槽刀加工鋼料，此時切削速度的取值范圍是30 m/min～40 m/min，進給量的取值范圍是0.05 mm/r～0.1 mm/r。

(3)優(yōu)化走刀路線。斜槽的走刀路線在保證加工質量的前提下，應縮短工藝路線，減少空走刀時間[6]。槽刀在粗加工時只能徑向進刀去除加工余量，不能軸向走刀。故斜槽的走刀路線通常以槽刀的刀位點確定起始點(左刀尖槽刀起始點在槽的最左側，右刀尖槽刀起始點在槽的最右側)，粗加工時留出0.2 mm作為精加工余量，斜槽的倒角加工與槽底的精加工通過一次走刀完成即為最優(yōu)走刀路線。

3 結語

環(huán)形斜槽是軸類零件常見的表面特征，斜槽的數(shù)控加工是應用型本科高校機械類專業(yè)學生在數(shù)控實習、數(shù)控技能考證中常見的問題。為了更好地掌握環(huán)形斜槽在數(shù)控車床上的加工工藝，本文從斜槽的斯沃數(shù)控仿真加工入手，詳細地展示了斜槽的仿真加工過程。并對斜槽加工中常見的幾類問題進行了分析，同時也對優(yōu)化斜槽加工提供了幾種通用可行的方案，給環(huán)形斜槽在數(shù)控車床上的加工提供了理論依據(jù)和仿真參考，具有良好的示范價值。