數(shù)控車削復(fù)雜型面的方法探索

楊 樂(lè)

(重慶機(jī)械電子技師學(xué)院，重慶 400037)

數(shù)控車床加工復(fù)雜型面工件時(shí)，加工刀具數(shù)量多、刀具長(zhǎng)、形狀復(fù)雜，加工工藝及程序編制復(fù)雜。如“酒杯”(圖1)，由外圓、內(nèi)孔、細(xì)長(zhǎng)軸、薄壁、端面圓弧等多個(gè)難點(diǎn)構(gòu)成。它不僅有一定的可觀性又對(duì)加工人員的工藝、編程、操作是一個(gè)綜合的考驗(yàn)。本人選用了數(shù)控車CA6136HK作為加工機(jī)床，數(shù)控系統(tǒng)選用了華中HNC-21T，毛坯材料是棒料Φ45x150mm的45鋼。

圖1 “酒杯”圖形

一、零件圖樣分析

在數(shù)控車削中，程序貫穿整個(gè)零件的加工過(guò)程。由于每個(gè)人的加工方法不同，編制加工程序也各不相同，但最終的目的是為了加工出合格的工件，因此對(duì)于選擇最合理的加工工藝顯得尤為重要。主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容。

(一)分析加工輪廓的幾何條件

本圖有內(nèi)圓弧、外圓弧、細(xì)長(zhǎng)軸等，既要考慮刀具的通過(guò)性和強(qiáng)度，又要考慮先后順序。本圖形有幾處難點(diǎn):(1)內(nèi)端面圓弧加工困難;(2)杯壁較薄，最薄處只有0.5 mm;(3)杯腳較細(xì)，強(qiáng)度低;(4)刀具副偏角要求較大;(5)孔內(nèi)壁向內(nèi)凹，普通內(nèi)孔車刀會(huì)出現(xiàn)干澀。

本圖的加工難點(diǎn)多，加工面復(fù)雜。只有完全解決了上述的幾個(gè)難點(diǎn)才有可能加工出合格的“酒杯”。本文將在下文中逐一解決這5個(gè)難點(diǎn)。

(二)分析零件圖樣上的尺寸公差要求

確定控制其尺寸精度的加工工藝，如刀具的選擇及切削用量的確定等。本圖的公差均為自由尺寸，對(duì)尺寸公差和形位公差的要求都不高。

(三)合理確定走刀路線，并使其最短

在數(shù)控加工中，刀具(嚴(yán)格說(shuō)是刀位點(diǎn))相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡和方向稱為加工路線。即刀具從對(duì)刀點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)起，直至結(jié)束加工程序所經(jīng)過(guò)的路徑，包括切削加工的路徑及刀具引入、返回等非切削空行程。影響走刀路線的因素很多，有工藝方法、工件材料及其狀態(tài)、加工精度及表面粗糙度要求、工件剛度、加工余量，刀具的剛度、耐用度及狀態(tài)，機(jī)床類型與性能等，加工路線的確定首先必須保證被加工零件的尺寸精度和表面質(zhì)量，其次考慮數(shù)值計(jì)算簡(jiǎn)單，走刀路線盡量短，效率較高等。

二、制定加工方案

在對(duì)加工工藝進(jìn)行認(rèn)真和仔細(xì)的分析后，制定加工方案的一般原則為先粗后精，先近后遠(yuǎn)，先內(nèi)后外，程序段最少，走刀路線最短。由于生產(chǎn)規(guī)模的差異，對(duì)于同一零件的加工方案是有所不同的，應(yīng)根據(jù)具體條件，選擇經(jīng)濟(jì)、合理的工藝方案。此零件毛坯較長(zhǎng)，采用一次性裝夾，表1為數(shù)控機(jī)床加工“酒杯”零件時(shí)的加工路線。

三、刀具選用及加工參數(shù)

數(shù)控加工刀具的選擇應(yīng)根據(jù)機(jī)床的加工能力、工件材料的性能、加工工序切削用量以及其他相關(guān)因素正確選用刀具及刀桿。刀具選擇總的原則是:安裝調(diào)整方便、剛性好、耐用度和精度高。在滿足加工要求的前提下，盡量選擇較短的刀柄，以提高刀具加工的剛性。選取刀具時(shí)，要使刀具的尺寸與被加工工件的表面形狀相適應(yīng)。既要有足夠的強(qiáng)度，又不能使刀具和工件發(fā)生干澀。要想成功完成“酒杯”的加工，刀具的刃磨和切削參數(shù)的選擇是關(guān)鍵所在，此工件要用到的所有工量刃具清單如表2所示。

表1 “酒杯”車削加工步驟

表2 工量刃具準(zhǔn)備清單

其中的工量具是常用工具，45°端面車刀和4 mm切斷刀與平時(shí)所用的刀具大致相同;不同就在于第5的內(nèi)孔車刀和第6的外圓車刀角度要求特殊，沒(méi)有現(xiàn)成的機(jī)架車刀或焊接車刀，都需要自行刃磨。

(一)成型面外圓車刀

1.成型面外圓車刀幾何角度。成型面外圓車刀為了不與零件發(fā)生干澀，其主偏角可以選擇90°～93°，其副偏角要考慮圓弧干澀，應(yīng)當(dāng)選取角度最大的地方來(lái)確定副偏角的度數(shù)，如圖2所示。

圖2 副偏角

副偏角度最大的地方就在兩圓弧相切的切點(diǎn)上，過(guò)切點(diǎn)做R19.26的切線，與水平Z軸的夾角就是最大副偏角，即55°12′16″。刃磨成型面外圓車刀的時(shí)候，副偏角一定要大于 55°12′16″，可以取 56°～ 58°。若副偏角取得過(guò)大，刀尖角度就會(huì)很小，強(qiáng)度也就自然很低了。根據(jù)以上的條件，成型面外圓車刀的角度如圖3所示。

圖3 成型面外圓車刀的角度

通過(guò)精確計(jì)算副偏角的大小，刃磨時(shí)用角度樣板測(cè)量好角度，在加工時(shí)就不會(huì)出現(xiàn)副切削刃和工件發(fā)生干涉的現(xiàn)象，解決了外圓刀副偏角要求較大的難點(diǎn)。

2.成型面外圓車刀的加工參數(shù)。詳見(jiàn)表3。

表3 加工參數(shù)參考表

(二)成型面內(nèi)孔車刀

1.成型面內(nèi)孔車刀幾何角度。成型面內(nèi)孔車刀的刃磨比起外圓弧車要復(fù)雜得多，不僅副偏角不能與零件發(fā)生干涉，主偏角、刀桿也都很容易擦掛到零件的內(nèi)壁。由于形狀復(fù)雜且刀頭的部分較小，這里選用了高速鋼車刀來(lái)刃磨，使其更能適應(yīng)復(fù)雜的成型內(nèi)表面。

成型面內(nèi)孔車刀的主、副偏角和刀桿都要考慮是否會(huì)與內(nèi)圓弧發(fā)生干澀。內(nèi)圓弧凹面最深處的深度為1.9 mm，則成型面內(nèi)孔車刀的刀桿的深度也應(yīng)大于1.9 mm。如圖4所示。

圖4 成型面內(nèi)孔車刀幾何角度

成型面內(nèi)孔車刀的副偏角因?yàn)橛袃?nèi)端面圓弧，也不能刃磨成直線，而是應(yīng)小于內(nèi)圓弧R20的一端圓弧，如圖5所示。

圖5 成型面內(nèi)孔車刀的副偏角

綜合上述條件，成型面內(nèi)孔車刀把它設(shè)計(jì)為如圖6所示，主切削刃設(shè)計(jì)成凹圓弧，玄長(zhǎng)為2 mm大于圖紙中的1.9 mm。副切削刃設(shè)計(jì)成凸圓弧，半徑為R15mm，小于圖紙中的半徑R20mm。內(nèi)孔深度為34.9mm，刀桿有效長(zhǎng)度為40 mm，長(zhǎng)于孔的深度。寬度小于孔半徑10mm，這里設(shè)計(jì)為9 mm。這樣的設(shè)計(jì)既有較大的強(qiáng)度、剛度，又能不與工件的內(nèi)壁發(fā)生干涉。

圖6 成型面內(nèi)孔車刀

通過(guò)計(jì)算機(jī)制圖幫助找到內(nèi)孔成型刀主、副切削刃的形狀和幾何角度，也解決了孔內(nèi)壁向內(nèi)凹，普通內(nèi)孔車刀會(huì)出現(xiàn)干澀的難點(diǎn)。

2.型面內(nèi)孔車刀的加工參數(shù)。見(jiàn)表4。

表4 加工參數(shù)參考表

通過(guò)對(duì)典型刀具的分析，解決了前面所提到的兩個(gè)刀具難題。

四、加工程序編制

在編制加工程序時(shí)可以選擇CAM軟件編制加工程序，也可以選擇手動(dòng)編程，兩者都能夠完成零件的加工。根據(jù)加工步驟表，第3、4步需要編制3個(gè)程序。第3步內(nèi)孔加工在鉆孔準(zhǔn)確的情況下，可以一次完成。第4步再分為兩步加工，先加工零件前半部分，再加工后半部分。

五、容易出現(xiàn)的問(wèn)題和解決方案

在準(zhǔn)備好加工刀具、編制好加工程序后，便可以進(jìn)行實(shí)際加工。雖然在前面解決了比較困難的工藝問(wèn)題和刀具問(wèn)題，但在實(shí)際加工中還是比較容易出現(xiàn)各種問(wèn)題。下面是一些實(shí)際加工中常見(jiàn)問(wèn)題和解決方案。

(一)鉆孔深度

在加工中由于鉆頭的深度不太容易控制，常出現(xiàn)鉆得過(guò)深或過(guò)淺的情況。如果鉆孔深度過(guò)淺，內(nèi)孔刀第一刀的吃刀量非常打，很容易將刀具打壞;如果鉆孔過(guò)深，將傷到工件內(nèi)壁，甚至?xí)r整個(gè)杯體掉落下來(lái)。在鉆孔時(shí)由于深度不能精確控制，可以適當(dāng)?shù)厣巽@0.3～0.5 mm。

(二)刀尖容易蹦壞

在實(shí)際加工中，雖然刃磨的內(nèi)外圓車刀能夠達(dá)到幾何角度要求，但刀尖角度較小，強(qiáng)度差。切削參數(shù)不太合理、毛坯上有硬點(diǎn)、刀具強(qiáng)度不夠引起的振動(dòng)等都會(huì)導(dǎo)致刀尖崩壞。要解決這些問(wèn)題，首先要在不干涉的前提下盡可能地增大刀尖角度;其次是在加工中隨時(shí)觀察切削情況，隨時(shí)調(diào)整切削參數(shù);最后可以將鉆頭刃磨成圓弧形以減少第一刀時(shí)的吃刀量。

(三)杯體“發(fā)藍(lán)”

在加工時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)杯體發(fā)藍(lán)，甚至發(fā)黑的情況。可能是因?yàn)楸谳^薄，切削參數(shù)較大又未加切削液，切削溫度散熱困難;也可能是刀具不夠鋒利，擠壓、摩擦較多;也可能是刀桿幾何角度刃磨到位，造成刀體和工件摩擦。找到這些原因后，就可以對(duì)癥下藥，解決杯體發(fā)藍(lán)的問(wèn)題了。

在加工中還會(huì)遇到很多問(wèn)題，只要找到原因，就可以順利地加工出工件了。