箱體零件難加工用這款鏜刀轉(zhuǎn)向桿試試

箱體零件作為某型號產(chǎn)品的重要零部件，其形狀復(fù)雜、尺寸精度和幾何公差嚴(yán)格、整體變形量要求高，若要高質(zhì)量地完成，加工難度較大，需要五軸加工中心、高精度數(shù)控車等設(shè)備支持。目前，車間只有三軸加工中心，配置的數(shù)控車在加工范圍和加工精度上均不能滿足圖樣設(shè)計(jì)要求。結(jié)合自身制造條件，在不增加任何投入的情況下，如何在三軸加工中心完成零件的加工需要解決三個(gè)難題：首先是復(fù)雜曲面零件的裝夾工藝及加工問題；其次是在三軸機(jī)床如何實(shí)現(xiàn)五軸定向加工問題；最后是如何替代數(shù)控車完成高精度內(nèi)外圓同步加工問題。經(jīng)過不斷摸索，我們完美解決了上述難題，現(xiàn)就這三個(gè)問題詳細(xì)闡述如下。1.

復(fù)雜曲面零件裝夾工藝及加工問題零件形狀復(fù)雜，如圖1所示，存在大量曲面、斜面和圓弧，正反面有較高的相對位置要求，空間曲面的裝夾、定位非常困難。按照傳統(tǒng)加工工藝方式，無論首先完成任何一個(gè)面的加工，另一個(gè)面基準(zhǔn)找正、裝夾、加工都非常困難，且零件易松動、變形，加工質(zhì)量無法保證；并且為充分釋放加工產(chǎn)生的應(yīng)力，控制變形量，需要零件在全部粗加工完成后，經(jīng)時(shí)效處理再進(jìn)行精加工，這對裝夾工藝及加工方案提出了難題。為有效實(shí)現(xiàn)零件多面特征裝夾，保證曲面特征、尺寸精度和幾何公差，控制變形量，經(jīng)論證，決定采用“圍框”式裝夾工藝及加工方案，具體實(shí)施內(nèi)容如下。a）反面b）正面圖1零件（1）“圍框”的確定零件中三個(gè)呈120°均布的支架形成一個(gè)φ310mm的圓，以此為基準(zhǔn)，單邊留余量5mm，形成一個(gè)320mm×320mm的矩形作為創(chuàng)建“圍框”式邊界，如圖2所示。一方面可以通過千分表找正矩形直角邊外形完成基準(zhǔn)準(zhǔn)確定位，使正反面加工基準(zhǔn)高度一致；另一方面粗加工時(shí)可以將零件快速方便地直接在虎鉗上夾持完成加工；同時(shí)，預(yù)留的四周余量可以在精加工時(shí)使用壓板夾持固定。圖2“圍框”式邊界（2）“圍框”式裝夾及加工工藝備料毛坯：326mm×326mm，單邊加工余量3mm。首先使用虎鉗夾持毛坯，加工上表面及320mm×320mm矩形，然后粗加工反面各臺階、曲面及斜面，其中三個(gè)呈120°均布的支架獨(dú)立加工。然后利用精密虎鉗夾持“圍框”矩形，以320mm×320mm矩形外形為找正基準(zhǔn)，粗加工零件厚度、正面各臺階、曲面及斜面。此時(shí)粗加工工序全部結(jié)束，零件通過12處缺口面及三個(gè)支架與“圍框”相連，整個(gè)半成品牢固可靠，變形量極小。經(jīng)時(shí)效處理將加工應(yīng)力充分釋放，零件直接置于機(jī)床工作臺面上，在確保其始終處于自由狀態(tài)的情況下，通過壓板完成對零件的夾持固定，使用千分表找正“圍框”矩形外形，以此為基準(zhǔn)確定零件中心。首先完成厚度方向表面精加工，然后對反面粗加工區(qū)域進(jìn)行精加工，其中高精度內(nèi)孔、外圓在最后工步完成加工，留0.1～0.2mm精鏜余量。同樣裝夾工藝，找正“圍框”矩形外形，以反面加工的半精鏜通孔為基準(zhǔn)，完成零件厚度及正面粗加工區(qū)域的精加工工作，從而確保零件正反面相對位置的高度一致。零件全部加工完成后，使用自制專用環(huán)形墊塊實(shí)施對零件三處支架的有效支撐，通過零件內(nèi)孔穿螺釘搭壓板方式完成對零件的夾持固定，以圖2中A處作為進(jìn)出刀點(diǎn)，完成零件的外形加工，實(shí)現(xiàn)零件與“圍框”的分離工作。為控制變形，Z向采用分層加工方式，僅在底面三個(gè)支架處留0.05mm余量與“圍框”相連，每刀切削深度0.3mm，選用小刀徑大螺旋角立銑刀高速加工完成。由于支撐牢固、裝夾穩(wěn)定，特別是極小的分層切削，大幅降低了切削力的產(chǎn)生，加工完成后使用刀片將三個(gè)支架處0.05mm厚鋁皮輕輕劃破，即實(shí)現(xiàn)了零件與“圍框”的完美脫離，且零件沒有因此產(chǎn)生變形。圖3所示為零件在三種狀態(tài)下加工后的實(shí)際效果。a）反面加工b）正面加工c）零件與“圍框”圖3零件加工效果（3）刀具選擇及切削參數(shù)刀具選擇鑒于波形刃立銑刀和大螺旋角立銑刀在粗、精加工方面優(yōu)異的加工性能，我們在零件全部銑加工中均選用不同直徑的國產(chǎn)鋁用整體硬質(zhì)合金波形刃立銑刀和45°大螺旋角平刀及球刀分別進(jìn)行粗、精加工。切削參數(shù)：粗加工時(shí)根據(jù)不同加工區(qū)域的強(qiáng)度和狀態(tài)，主要選擇φ20mm、φ10mm兩種直徑波形刃立銑刀，深度方向以每刀切削深度5mm為參考，分層加工，φ20mm銑刀主軸轉(zhuǎn)速n＝3000r/min，進(jìn)給速度vf＝800mm/min；φ10mm銑刀主軸轉(zhuǎn)速n＝4000r/min，進(jìn)給速度vf＝1200mm/min。精加工時(shí)選用同直徑45°大螺旋角銑刀，余量0.1mm一次加工到位，刀具每齒吃刀量控制在0.1mm，主軸轉(zhuǎn)速n＝5000r/min，進(jìn)給速度vf＝1500mm/min。

（4）數(shù)控銑加工過程的重點(diǎn)控制曲面的形位尺寸精度由本工序控制，在優(yōu)化選擇刀具及相應(yīng)切削參數(shù)的前提下，如何確保加工精度和表面質(zhì)量，同時(shí)兼顧生產(chǎn)效率，對切削方式的選擇提出了較高的要求。我們將設(shè)計(jì)模型圖直接轉(zhuǎn)換為Mastercam實(shí)體三維圖，進(jìn)行Mastercam三維編程，并在加工路徑和程序參數(shù)上做了優(yōu)化，避免產(chǎn)生空刀路徑，以小切削深度大進(jìn)給的方式減少切削應(yīng)力產(chǎn)生，控制零件變形。粗加工曲面時(shí)，首先使用平直刀以曲面挖槽方式加工出大致形狀，然后使用球刀全部以等高外形加工方式，適當(dāng)增大Z向銑削間距，在控制變形的前提下，以保證加工效率為目的，快速高效地完成零件粗加工。精加工曲面時(shí)，由于不同曲面、同一曲面的不同區(qū)域其曲率相差較大，不適宜采用單一曲面加工方式，為確保加工質(zhì)量同時(shí)兼顧效率，針對不同情況分別采用等高外形、曲面流線及3D等距等不同的曲面加工相結(jié)合方式，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，使加工過程中材料受力均勻，減少振動和變形，大幅提高了表面質(zhì)量和加工精度。加工結(jié)果證明，“圍框”式裝夾加工工藝完美解決了復(fù)雜曲面零件的裝夾、定位及加工精度的問題，以此為基礎(chǔ)，配以合理的刀具選用、優(yōu)化的切削方式和切削參數(shù)，優(yōu)質(zhì)高效地完成了加工。2.

在三軸加工中心實(shí)現(xiàn)五軸定向加工（1）加工背景及方案為防止裝配時(shí)出現(xiàn)干涉，在零件的支架附近設(shè)計(jì)兩處三維小斜面，如圖4所示，為保證尺寸精度及表面質(zhì)量，設(shè)計(jì)要求必須由機(jī)床完成三維斜面及根部清角加工，不允許鉗工修銼。因此無法使用球刀在三軸加工中心進(jìn)行三維斜面銑削，而必須使用平刀由五軸機(jī)床的雙軸復(fù)合轉(zhuǎn)動完成定向加工。圖4三維斜面在不具備相關(guān)設(shè)備的情況下，經(jīng)過論證，將一臺報(bào)廢坐標(biāo)鏜床的雙向回轉(zhuǎn)臺附件安裝在三軸加工中心，通過人工搖動回轉(zhuǎn)盤，代替五軸機(jī)床實(shí)現(xiàn)A、C軸復(fù)合旋轉(zhuǎn)功能，完成空間三維斜面的定向加工。（2）雙向回轉(zhuǎn)臺精度檢測由于設(shè)備陳舊、長期閑置，其旋轉(zhuǎn)精度達(dá)不到圖樣設(shè)計(jì)要求，根據(jù)零件三維斜面需要旋轉(zhuǎn)的角度，在轉(zhuǎn)臺上利用試件加工了一系列特征孔，通過檢測計(jì)算出轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)精度差值，加工時(shí)進(jìn)行人為補(bǔ)償，確保三維斜面定向準(zhǔn)確。（3）零件裝夾找正及加工回轉(zhuǎn)臺處于水平狀態(tài)，將零件置于回轉(zhuǎn)臺面，千分表找正零件“圍框”矩形外形及精鏜通孔，確保零件中心、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心及機(jī)床主軸三者同心，通過轉(zhuǎn)臺中心孔使用螺釘壓板將零件固定在轉(zhuǎn)臺上，依據(jù)精度檢測值，手工搖動轉(zhuǎn)臺完成零件雙向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)三維斜面空間定向，使用φ4mm立銑刀完成加工，如圖5所示為現(xiàn)場加工實(shí)景。圖5加工現(xiàn)場加工結(jié)果證明，利用雙向回轉(zhuǎn)臺巧妙解決了在三軸加工中心實(shí)現(xiàn)五軸定向加工問題，實(shí)現(xiàn)了三維斜面及根部清角的加工，經(jīng)檢測完全達(dá)到圖樣設(shè)計(jì)要求。3.

自制鏜刀轉(zhuǎn)向桿完成高精度內(nèi)外圓同步加工（1）加工背景如圖6所示，零件中有一組高精度內(nèi)外圓需要加工，因?yàn)榘惭b時(shí)有配合要求，所以對尺寸精度、圓柱度、同軸度及表面粗糙度提出了很高的要求。正常情況下該工序一般安排車工完成，由于本部門配置的數(shù)控車床在夾持范圍和加工精度上均達(dá)不到圖樣設(shè)計(jì)要求，因此必須放棄慣有思路，依托現(xiàn)有條件，另辟蹊徑。圖6零件結(jié)構(gòu)現(xiàn)有加工中心受機(jī)床精度制約，執(zhí)行G02/G03圓弧銑削指令完成加工的內(nèi)外圓，不僅圓柱度無法滿足φ0.008mm的圖樣設(shè)計(jì)要求，而且表面粗糙度值1.6μm及外圓和內(nèi)孔φ0.01mm的同軸度也達(dá)不到要求，只有利用主軸高精度旋轉(zhuǎn)通過鏜的加工方式解決問題，而現(xiàn)有刀具廠商提供的鏜頭只能加工內(nèi)孔。因此，如果能夠解決車間現(xiàn)有鏜頭的外圓加工問題，就可以實(shí)現(xiàn)零件高精度內(nèi)外圓同步加工，取代車床，確保所有精度達(dá)到要求。（2）設(shè)計(jì)圖樣的確定通過對鏜頭結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合各類鏜刀尺寸，在不增加額外投入的情況下，以至簡實(shí)用為目的，自制鏜刀轉(zhuǎn)向桿，完成鏜刀刀尖180°換向，使用M04指令機(jī)床主軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了外圓的鏜加工功能。如圖7所示為鏜刀轉(zhuǎn)向桿設(shè)計(jì)圖。圖7鏜刀轉(zhuǎn)向桿結(jié)構(gòu)（3）使用說明如圖8所示，將鏜刀轉(zhuǎn)向桿φ20(－0.005,－0.020)mm的帶扁平面的軸插入與之配合的鏜頭側(cè)面孔中，根據(jù)所鏜零件外圓直徑大小，對軸伸出的長短進(jìn)行粗略調(diào)整，然后將鏜頭側(cè)面三個(gè)M12螺釘頂在轉(zhuǎn)向桿扁平面上，既起到定向作用，又能固定刀桿防止轉(zhuǎn)動。將加工使用的鏜刀裝入刀桿與之配合的φ20(+0.02,+0)mm孔中（刀尖指向回轉(zhuǎn)中心），通過刀桿側(cè)面起鎖緊、定向作用的M8螺釘，將鏜刀準(zhǔn)確固定在刀桿中，此時(shí)主軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，即可完成外圓的鏜銑加工。圖8鏜刀轉(zhuǎn)向桿與鏜頭由于鏜刀轉(zhuǎn)向桿φ20(－0.005,－0.020)mm的軸與鏜頭側(cè)面孔、φ20(+0.02,+0)mm的孔與鏜刀柄均設(shè)計(jì)加工＜0.02mm的裝配間隙，同時(shí)孔與軸心線的對稱度控制在0.02mm以內(nèi)，因此整個(gè)裝置牢固可靠，具有較高的定位精度，確保刀尖運(yùn)動時(shí)始終處于旋轉(zhuǎn)圓弧的最高點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了鏜刀的精確調(diào)整移動，為零件外圓的高精度鏜銑加工提供了保障。為擴(kuò)大鏜刀轉(zhuǎn)向桿的使用范圍，在用于安裝鏜刀的φ20(+0.02,+0)mm孔兩側(cè)，均設(shè)計(jì)加工了起鎖緊定位作用的M8螺釘孔，當(dāng)鏜刀刀尖向外時(shí)，通過另一側(cè)M8螺釘將其準(zhǔn)確固定在刀桿上，同樣一把鏜刀，僅僅將其旋轉(zhuǎn)了180°，此時(shí)主軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，就可以方便地完成內(nèi)孔的鏜銑加工。利用自制鏜刀轉(zhuǎn)向桿，圓滿完成了符合要求的高精度外圓加工，同步完成了零件內(nèi)孔加工，確保了兩者φ0.0