機(jī)械加工中轉(zhuǎn)角的影響分析與優(yōu)化

齊東昱，趙軍，祖興隆

沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司

1 引言

零件的機(jī)械銑削加工過(guò)程可分為粗加工和精加工，粗加工目的在于去除大量余量并為精加工做準(zhǔn)備，精加工的目的是為保證尺寸精度和表面質(zhì)量，因此，粗加工會(huì)為精加工留有少許余量，以保證精加工時(shí)刀具可以高速平穩(wěn)的切削。

由于轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的存在，銑刀在轉(zhuǎn)角處的切削寬度會(huì)增大。因?yàn)榇旨庸ず罅粲休^小余量，所以在精加工時(shí)刀具的進(jìn)給會(huì)很快，一旦在高速切削過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)大的切削量，使機(jī)床主軸超出合理的負(fù)載，將會(huì)影響機(jī)床精度，加快刀具磨損，甚至產(chǎn)生刀具折斷的現(xiàn)象，造成生產(chǎn)成本增加，從而降低加工效率[1]。因此，轉(zhuǎn)角的余量分析與優(yōu)化對(duì)零件加工的效率和質(zhì)量具有重大意義。

2 研究對(duì)象與目的

切削寬度是指在切削過(guò)程中沿刀具進(jìn)給方向的刀具切削寬度，在切削深度和進(jìn)給量不變的情況下，切削寬度是唯一影響切削量的因素，零件結(jié)構(gòu)多以直線或曲線段為主，并伴以轉(zhuǎn)角等。在精加工過(guò)程中，切削直線段會(huì)占據(jù)大部分時(shí)間，因此，切削參數(shù)選擇也以切削加工直線段為主。而轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致切削寬度增大，如果繼續(xù)沿用直線段的切削參數(shù)，將對(duì)刀具造成損傷，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證，但如果降低參數(shù)，效率又會(huì)受到影響。因此，本研究針對(duì)典型的轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)進(jìn)行余量和切削量關(guān)系的分析及優(yōu)化，使在轉(zhuǎn)角處的切削量和直線段相近，以保證精加工的切削效率及質(zhì)量。

以加工常見(jiàn)的90°轉(zhuǎn)角為典型結(jié)構(gòu)，針對(duì)轉(zhuǎn)角處粗加工后留有的余量進(jìn)行分析?，F(xiàn)假設(shè)某一零件轉(zhuǎn)角為R，在用直徑為D(D=2R)的銑刀粗加工后，直角邊與轉(zhuǎn)角處都均勻留有寬度為a的余量(見(jiàn)圖1)。其中，A輪廓為零件本體，B輪廓為粗加工后所留余量。

圖1 刀具粗加工軌跡

3 轉(zhuǎn)角余量的影響分析與優(yōu)化

3.1 等規(guī)格刀具切削

選擇與零件轉(zhuǎn)角尺寸R規(guī)格一致的銑刀(直徑D=2R)進(jìn)行精加工，去除寬度為a的加工余量，刀具軌跡見(jiàn)圖2。

圖2 刀具軌跡

由于所選擇的刀具半徑和轉(zhuǎn)角尺寸一致，所以刀具軌跡在轉(zhuǎn)角處會(huì)有90°轉(zhuǎn)折，因此，刀具的切削軌跡可分為C1和C2兩段。由于C1段和C2段刀具的進(jìn)給方向不同，因此分為C1和C2兩段分析精加工過(guò)程中Ae的變化情況。

由圖3可見(jiàn)，刀具沿C1路徑進(jìn)行切削時(shí)，刀具的進(jìn)給方向?yàn)椴輬D中垂直向下，刀具中心從T點(diǎn)加工至T1點(diǎn)時(shí)未切進(jìn)轉(zhuǎn)角，切削寬度Ae為余量寬度a；當(dāng)從T1點(diǎn)經(jīng)T2點(diǎn)運(yùn)行至T3點(diǎn)過(guò)程中，切削寬度逐步增大，在到達(dá)T3點(diǎn)時(shí)，切削寬度達(dá)到最大，此時(shí)

整理可得

(1)

圖3 切削草圖

根據(jù)圖4對(duì)C2段的切削寬度變化情況進(jìn)行分析，刀具中心由T3點(diǎn)加工至T4點(diǎn)時(shí)，切削寬度可表示為

AeC2=a

(2)

對(duì)比式(1)和式(2)可得

所以T3處為切削整體過(guò)程中切削寬度最大處。

圖4 C2段的切削寬度變化

以加工中常見(jiàn)結(jié)構(gòu)為例，零件轉(zhuǎn)角為R10，粗加工后留有1mm余量時(shí)，如果選用φ20的刀具進(jìn)行精加工，在直線段切削寬度為1mm，但在轉(zhuǎn)角處切削寬度最大可達(dá)14.4mm，為直線段切削寬度的14.4倍。切削寬度大幅增加會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生重大影響，極易發(fā)生刀具折斷等現(xiàn)象，產(chǎn)品質(zhì)量存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 小規(guī)格刀具切削

選用與轉(zhuǎn)角同規(guī)格的刀具不僅會(huì)使轉(zhuǎn)角處切削寬度大幅增加，而且由于刀具軌跡在轉(zhuǎn)角產(chǎn)生90°轉(zhuǎn)折，即需要機(jī)床完成將刀具進(jìn)給速度從高速降為0，然后將垂直方向的速度從0提升至高速。刀具在轉(zhuǎn)角處的急停急動(dòng)不僅對(duì)機(jī)床造成影響，還會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)角處的表面質(zhì)量產(chǎn)生影響?？紤]到以上因素，精加工的刀具采用比D小一級(jí)的D1(D1<2R)銑刀，此時(shí)刀具軌跡見(jiàn)圖5。

圖5 刀具精加工軌跡

在圖6中，C1階段刀具中心由T1經(jīng)過(guò)T2加工至T3，進(jìn)給方向始終為圖中向下，可發(fā)現(xiàn)在直線段時(shí)刀具切削寬度始終為

AeT1=a

圖6 C1階段的切削軌跡

在刀具切入轉(zhuǎn)角后，切削寬度逐漸增大，在到達(dá)C1直線段終點(diǎn)T3點(diǎn)時(shí)，切削寬度達(dá)到最大。根據(jù)計(jì)算可得出T3處的切削寬度為

(4)

在圖7中，C2圓弧階段刀具中心由T3沿著圓弧C2經(jīng)過(guò)T4、T5點(diǎn)，由于C2路徑為圓弧，進(jìn)給方向?yàn)榈毒哕壽E切線方向，并隨著刀具前進(jìn)不斷變化，逐漸趨近于水平，因此，切削寬度隨著圓弧逐漸變小，即在C2階段，切削寬度最大點(diǎn)為C2段的起始點(diǎn)T3，也就是C1段的結(jié)束點(diǎn)，即

AeC2=AeT3

(5)

圖7 C2階段的切削

如圖8所示，C3階段刀具平穩(wěn)地沿C3直線進(jìn)行切削，切削寬度始終為

AeC3=a

(6)

對(duì)比式(4)、式(5)和式(6)可得出

AeT3=AeC2>AeC3

所以T3處為切削整體過(guò)程中切削寬度最大處。

因此通過(guò)對(duì)C1段、C2段和C3段三段切削軌跡的切削寬度進(jìn)行分析，可以得出當(dāng)零件轉(zhuǎn)角為R，余量寬度均勻?yàn)閍，采用與比轉(zhuǎn)角尺寸小的φD1(D<2R)刀具進(jìn)行精加工時(shí)，在轉(zhuǎn)角處切削寬度Ae最大可達(dá)到

以平時(shí)加工中常見(jiàn)結(jié)構(gòu)為例，當(dāng)零件轉(zhuǎn)角R=10，粗加工后留有a=1mm余量時(shí)，如果選用φ16的刀具進(jìn)行精加工，在直線段刀具切削寬度為1mm，在轉(zhuǎn)角處切削寬度最大為6.27mm，是直線段切削寬度的6.27倍，是采用φ20銑刀的14.4倍，切削寬度增量減低了一倍多。

圖8 C3階段的切削

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相比于轉(zhuǎn)角尺寸一致的刀具，選擇比轉(zhuǎn)角直徑小一個(gè)規(guī)格的刀具進(jìn)行轉(zhuǎn)角加工時(shí)，其切削寬度大幅縮小，但是直線段仍然有所增加。

3.3 減小轉(zhuǎn)角余量

通過(guò)之前的研究發(fā)現(xiàn)，為了使精加工過(guò)程中的切削寬度不會(huì)大幅增加，單純地選擇小一個(gè)規(guī)格的刀具無(wú)法滿足要求，所以在粗加工均勻留有a寬度余量的情況下，仍然需要對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行補(bǔ)充加工，使轉(zhuǎn)角處的余量寬度小于a，轉(zhuǎn)角處余量的選擇可通過(guò)分析進(jìn)一步算出。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)角仍然為R，依舊選擇比轉(zhuǎn)角尺寸小的刀具D1，所以刀具軌跡仍然分為C1直線段、C2圓弧段和C3直線段，直線段的余量仍為a，對(duì)圓角處余量進(jìn)行進(jìn)一步處理，降低到a1，切削軌跡見(jiàn)圖9。

圖9 切削軌跡

通過(guò)對(duì)小規(guī)格刀具切削分析可知，在T3點(diǎn)處切削寬度達(dá)到最大(見(jiàn)圖10)，為

(7)

根據(jù)刀具的切削性能，在切削過(guò)程中允許切削寬度增大2倍，即AeT3=2a。

圖10 切削寬度達(dá)到最大

以之前的加工結(jié)構(gòu)為例，零件轉(zhuǎn)角為R10，粗加工后直線段留有1mm余量，選用φ16刀具進(jìn)行精加工，為保證轉(zhuǎn)角處切削寬度不超過(guò)2mm，通過(guò)式(7)計(jì)算可知，需要將轉(zhuǎn)角處的余量加工至0.3mm余量。

4 結(jié)語(yǔ)

為使零件精加工能夠達(dá)到穩(wěn)定的切削量，應(yīng)在粗加工后額外對(duì)轉(zhuǎn)角進(jìn)行處理，使轉(zhuǎn)角處的余量小于直線段的余量，轉(zhuǎn)角處余量的留取寬度可參考式(7)；同時(shí)精加工應(yīng)選擇比轉(zhuǎn)角尺寸小一個(gè)規(guī)格的刀具，使加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，精加工效率大幅提升。