空間圓角銑削加工技術(shù)

童勇智，王逢濤，金許濤，楊天峰，張舒云，蘭忠杰

陜西柴油機(jī)重工有限公司 陜西興平 713105

1 序言

罩殼一般作為密封件，在裝配前需經(jīng)過(guò)氣、水等壓力試驗(yàn)，確保該產(chǎn)品不會(huì)出現(xiàn)滲漏，以保證其裝配使用的密閉性，多為整體鑄件或焊接件，形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)多變、大小不一、內(nèi)部呈腔形、壁薄且不均勻。在生產(chǎn)制造中，既有精度要求較高的孔系、密封槽和平面，也有許多異形圓角、凸臺(tái)和不規(guī)則曲面等，加工制造難度大[1]。

2 零件結(jié)構(gòu)和工藝分析

2.1 零件結(jié)構(gòu)分析

該罩殼屬于箱體類(lèi)零件，是一個(gè)半封閉式的多面體，空腔、內(nèi)壁不均勻，結(jié)構(gòu)多為不規(guī)則，主要用于保證機(jī)體內(nèi)整潔、降低機(jī)體在工作過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲，同時(shí)可以起到美化外觀的作用。在機(jī)械加工中，加工要素多，加工量大，結(jié)構(gòu)不規(guī)則，致使工藝復(fù)雜[2]。

2.2 工藝分析

罩殼：毛坯為整體鑄鐵件，表面質(zhì)量要求嚴(yán)，材料不易加工，刀具磨損快，空間曲面加工難度大。罩殼零件如圖1所示，在法蘭背面有左、右兩邊圓弧，中間由14m m筋板隔開(kāi)，左右為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，上下單邊留有側(cè)邊，表面粗糙度值R a＝1.6μm。

圖1 罩殼工藝要求

2.3 難點(diǎn)分析

該罩殼屬于箱體類(lèi)零件，材料QT400-15為球墨鑄鐵件，強(qiáng)度高、韌性好，具有耐磨、吸振和抗氧化的特點(diǎn)，但是切削加工性能差。根據(jù)圖樣要求，連接法蘭背面需要全部加工。其中圓弧左右對(duì)稱(chēng)分布，中間由筋板隔開(kāi)，加工圓弧曲面整體垂直于刀具軸線，加工曲面時(shí)需把刀具幾何尺寸擬合到曲面刀路中，才能保證最終曲面的型線符合工藝要求。如圖1筋板厚度為（16±0.025）mm、（14±0.02）mm、根部圓角R（82.5±0.025）mm，加工精度高、表面質(zhì)量要求嚴(yán)格。由于法蘭背面被筋板隔開(kāi)，因此使用三面刃銑刀或者車(chē)床會(huì)發(fā)生干涉，無(wú)法加工[3]。

3 工藝流程與數(shù)控加工方法

3.1 加工方法

該零件圓弧曲面雖為回轉(zhuǎn)面，但其形狀和結(jié)構(gòu)為箱體類(lèi)零件（見(jiàn)圖2），故不適用于選擇車(chē)削類(lèi)機(jī)床。法蘭背面由3個(gè)筋板隔開(kāi)，根部圓角過(guò)渡，背面、正面尺寸精度和表面粗糙度要求高，可選擇在三軸與多軸銑床上加工。在多軸加工中，由于刀具和工件的相互位置在加工中隨時(shí)變化，所以可一次裝夾完成全部加工，獲得最優(yōu)的加工條件。但其采購(gòu)成本和軟件成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于三軸，維護(hù)和保養(yǎng)成本過(guò)高，對(duì)于操作人員的操作技能要求也較高，致使勞動(dòng)成本過(guò)高。三軸機(jī)床中刀軸矢量不變，在Z軸的法相面內(nèi)加工，使用聯(lián)動(dòng)擬合可以完成空間曲面加工，而且可以獲得更好的系統(tǒng)剛性。由于該產(chǎn)品為大件、小批量生產(chǎn)方式，所以無(wú)需定制工裝，采用現(xiàn)有通用等高墊塊及下壓式壓板進(jìn)行定位裝夾，即可滿(mǎn)足此產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量機(jī)床銑頭、分析罩殼加工要素，可以選用球頭銑刀在ZY平面內(nèi)，沿著Z軸方向在空間提升出曲面圓角，以獲得更好的曲面加工精度、質(zhì)量和效率，以及最佳的性?xún)r(jià)比。

圖2 罩殼毛坯

3.2 刀具方案

刀具的選擇和切削用量的確定是數(shù)控加工工藝中的重要內(nèi)容，不僅影響數(shù)控機(jī)床的加工效率，而且直接影響加工質(zhì)量，同時(shí)使整個(gè)加工成本變化。結(jié)合機(jī)床的特點(diǎn)、工件材料的性能、裝夾和工藝要求，選取三面刃銑刀、立銑刀和球頭銑刀進(jìn)行加工。由于法蘭背面三段筋板均勻間隔90°，因此使用三面刃銑刀反銑筋板根部殘余較多，可以利用立銑刀側(cè)刃沿著圓弧方向全部加工。根部圓弧曲面為立體型面，從下向上形成，應(yīng)采用半徑小于或等于曲面最小曲率半徑的球頭刀具進(jìn)行插補(bǔ)銑削。經(jīng)測(cè)量毛坯單邊6mm余量較大，為了保證加工剛性與效率，選用圖3所示規(guī)格為φ20mm×80mm×150mm×4F（YT）立銑刀和R10mm×80mm×150mm（YT）球頭銑刀。

圖3 立銑刀（下）與球頭銑刀（上）

3.3 切削方案

在切削加工中，根據(jù)工件的實(shí)際加工情況，為保證加工圓角曲面的精度和表面粗糙度，由下向上采用順銑依次銑削。將刀具起點(diǎn)和刀具設(shè)定點(diǎn)分開(kāi)。在確保安全的前提下，刀具起點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近工件，以減少空轉(zhuǎn)刀具行程，縮短進(jìn)給路徑，并節(jié)省加工過(guò)程中的執(zhí)行時(shí)間。由于毛坯余量較大，因此應(yīng)采用循環(huán)的加工方法按圖4依次銑削，在YZ方向上逐漸去除余量，給精加工預(yù)留0.2mm余量, 期間注意進(jìn)給和退刀點(diǎn)應(yīng)垂直于Z軸方向，進(jìn)給速度不能為“ G0”，“ G0”命令應(yīng)避免“Y、Z”同時(shí)移動(dòng)。

圖4 走刀路線

刀具切削參數(shù)選用：φ20mm立銑刀，刀具材質(zhì)支持線速度vc為90～120m/min，背吃刀量ap為0.3～2mm，進(jìn)給量fz為0.07～0.3mm/z。

R10mm×80mm×150mm（YT）球頭銑刀，刀具材質(zhì)支持線速度vc為120～150m/min，背吃刀量ap為0.3～0.8mm，進(jìn)給量fz為0.11～0.18mm/z。

因毛坯為整體鑄件，受鑄造工藝影響，毛坯表皮偶有硬點(diǎn)、氣孔和夾砂等情況。為了降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，保證切削穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)試件調(diào)試驗(yàn)證，最終φ20mm立銑刀切削參數(shù)選用為vc＝92m/min，n＝1465r/min，ap＝1.5mm，fz＝0.07mm/z，vf＝410m m/m i n；R10m m球頭銑刀切削參數(shù)選用為vc＝130m/min，n＝2070r/min，ap＝0.5mm，vf＝228mm/min。經(jīng)過(guò)一批次12件加工，運(yùn)用上述切削參數(shù)，加工質(zhì)量和穩(wěn)定性較好、刀具耐用。

3.4 編制程序

根據(jù)零件圖樣幾何尺寸，計(jì)算刀具中心運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)。由于圓弧曲面在YZ平面內(nèi)，所以使用球頭銑刀加工時(shí)，需要計(jì)算接觸點(diǎn)坐標(biāo)值，通過(guò)點(diǎn)位逼近來(lái)完成R82.5mm圓弧銑削。數(shù)值計(jì)算的最終目的是為了獲得編程所需要的所有相關(guān)位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)。根據(jù)圖5通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算Y、Z坐標(biāo)值：Y＝Rcosα，Z＝Rsinα。

圖5 坐標(biāo)計(jì)算原理

在編制Heidenhain數(shù)控程序時(shí)，設(shè)Q1＝17為起始角度，Q2＝0.1為角度增量，Q3＝+76.5為終止角度，Q4＝92.5（R＝82.5+10）為圓弧半徑，Q1＝Q1 + Q2為角度增加變量。程序編制完成后，在正式用于生產(chǎn)加工前，必須進(jìn)行程序運(yùn)行檢查。在特殊情況下，還需做零件試加工檢查。根據(jù)檢查結(jié)果，對(duì)程序進(jìn)行修改和調(diào)整，檢查修改再檢查再修改，這往往要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)，直到獲得完全滿(mǎn)足加工要求的程序?yàn)橹埂?/p>

4 調(diào)試加工與檢驗(yàn)

程序中曲面圓角的加工原點(diǎn)為法蘭中心，即G54中的X0、Y0、Z0在法蘭的上表面。使用尋邊器X向、Y向分中后，把機(jī)械坐標(biāo)輸入到對(duì)應(yīng)的G54里。Z向用心棒或基準(zhǔn)刀與法蘭外圓貼合后，計(jì)算Z值輸入到G54里。加工前讓機(jī)床空運(yùn)行，以檢查刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的正確性。調(diào)試中可根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)整加工中的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給倍率（加工過(guò)程見(jiàn)圖6），以達(dá)到最佳切削性能。首件完成后送檢三坐標(biāo)計(jì)量?jī)x計(jì)量線性尺寸、幾何公差和表面粗糙度，檢測(cè)結(jié)果符合工藝要求。

圖6 曲面圓角加工

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)球頭銑刀的特殊運(yùn)用，經(jīng)過(guò)多次嘗試試驗(yàn)，最終確定了加工該罩殼曲面的工藝方案，成功解決了罩殼空間圓弧曲面難加工、加工要素多、加工精度高及表面粗糙度要求嚴(yán)格等難點(diǎn)問(wèn)題。確保了罩殼加工的正確性，提高了加工質(zhì)量的可控性和穩(wěn)定性，最終形成批量生產(chǎn)能力。同時(shí)該方法具有廣泛的實(shí)用性，可為同類(lèi)曲面加工應(yīng)用提供幫助與借鑒。