數控車床在孔內鍵槽加工的應用

摘 要：本文闡述數控車床在孔內鍵槽加工上的應用，以解決因缺少專用孔內鍵槽加工設備而無法加工孔內鍵槽的難題。

關鍵詞：孔內鍵槽 鍵槽加工 數控車床

鍵連接是機械傳動的重要連接之一。鍵連接可以實現零件的周向固定，如齒輪、帶輪、鏈輪、聯軸器等都是通過鍵連接實現周向固定，達到傳遞扭矩的作用。鍵屬于標準件，而鍵槽則通過機加工得到，軸上鍵槽是通過銑床銑削加工得到，輪轂孔內鍵槽主要以拉削、插削的加工形式而得到。拉床、插床就是加工孔內鍵槽的常用設備。隨著機械加工技術的發展，現已有許多種類的鍵槽加工設備，如孔內鍵槽加工設備、數控鍵槽加工設備，這些設備屬于鍵槽加工常用、專業設備，加工效率和加工精度比較高，適合批量生產，但通常只有專業生產齒輪、鏈輪、帶輪、聯軸器等零件的廠家才具備這些設備。

大學、高職、中職等院校由于缺少孔內鍵槽加工設備，所設計的齒輪、鏈輪、皮帶輪及聯軸器等零件的孔內鍵槽加工比較困難。而數控車床屬于工科類院校的教學實訓設備，可利用校內有利條件，用數控車床加工孔內鍵槽。

一、工藝分析

在數控車床上加工孔內鍵槽與插床的加工一樣，也是以插削的形式進行加工。加工前數控車床主軸掛空擋，把需要加工的零件裝夾在數控車床的自定心三爪卡盤上，自制的鍵槽插刀裝夾在刀架上，利用數控車床工作臺的縱向移動實現鍵槽的插削加工。在普通車床上也可完成鍵槽的插削加工，但由于普通車床在鍵槽的插削加工中插刀退刀不便，刀具返程時與已加工表面有摩擦，刀具易磨損，而且加工效率低。數控車床由數控系統控制工作臺，能精確地控制刀具進給和退刀，刀具不易磨損，效率更高，因此應采用數控車床進行加工。利用數控車床的復合固定循環指令G71進行編程及加工，該指令能使刀架上的插刀自動做往復插削和退刀，退刀時插刀與已加工表面可完全脫離，避免刀具磨損及表面粗糙度值升高。

插削屬于間歇切削加工，加工過程有一定的沖擊，為保護數控車床的滾珠絲杠副，鍵槽插削過程應選擇較小的背吃刀量（切削深度），背吃刀量ap應小于0.05mm，加工鍵槽的寬度越大，ap應越小。插削過程是靠數控車床工作臺的縱向進給實現插削加工，從保護滾珠絲杠副及工作臺驅動電動機方面考慮，數控車床縱向進給速度不能太高，但也不能太小。工作臺進給速度過高，電動機頻繁正反轉易發熱；工作臺進給速度過低，工作臺慣性的沖擊力不夠，只靠電動機推動工作臺完成插削加工，電動機負載大也容易發熱。因此通過幾次實踐加工總結出的經驗，工作臺進給速度以2000～3000mm/min為宜。

普通平鍵、半圓鍵及導向鍵等鍵槽的工作面均為鍵槽兩側面，鍵和鍵槽有一定的配合關系及配合精度。所以在加工前應明確孔內鍵槽的寬度尺寸及深度尺寸，做好鍵槽插刀的刃磨。除了切向鍵及特殊的鍵槽之外，普通平鍵、半圓鍵及導向鍵等的鍵槽兩側面均對稱于內孔中心平面。因此加工前須進行找正，使鍵槽插刀與工件處于正確的位置。

二、刀具準備與工件找正

鍵槽插削加工屬于間歇加工，從刀具的耐磨性及刀具的成本考慮，刀具材料采用高速鋼。高速鋼是一種具有高硬度、高耐磨性和高耐熱性的工具鋼，而且成本較低。因此鍵槽插刀可用厚度與鍵槽寬度相等的整體高速鋼車刀條來磨制。如加工寬6mm的鍵槽，可用6mm×20mm×200mm高速鋼條來磨制插刀。磨制鍵槽插刀切削部分幾何角度與切斷刀相似，切削刃的寬度必須與鍵槽寬度相等，如圖1所示。其前角（實際插削時為后角，見圖2）約7°～10°，后角（實際插削過程時為前角）約為10°～15°，偏角、副后角約為3°～5°。

圖1 插刀切削角度 圖2 鍵槽插削過程

工件裝夾需進行端面找正，保證端面與主軸線垂直。由于鍵槽的形位精度要求較高，鍵槽的兩側面應對稱于工件內孔中心平面，所以裝夾插刀時也必須進行找正，應使切削刃盡量與鉛垂同向，兩刀尖對稱于工件內孔中心平面。找正時先測量鍵槽插刀切削刃的寬度及工件某一外圓直徑，再計算鍵槽插刀刀尖與外圓上母線高度h。如圖3所示。

圖3 找正示意圖 圖4 鍵槽加工圖樣

可得出公式：

h=D/2-L/2

式中，h為待測量高度；D為帶輪凸臺直徑；L為鍵槽插刀刃寬。

通過墊刀片調整，夾緊插刀后用深度千分尺測量h尺寸，保證所測得數據與計算結果相等。

三、數控程序編制與加工

工件及刀具找正后，下一步就是數控加工程序的編制及加工。不同數控系統其加工程序可能會略有不同，但復合固定循環指令G71功能是一樣的。如有一皮帶輪（如圖4所示），需加工寬度為6mm的普通平鍵鍵槽。本文擬用系統為GSK928TE2、型號為CK6130的廣州數控車床加工其孔內鍵槽。鍵槽插削加工程序編制如下：

T0101 調刀具號

G0 X23 Z10 刀具快速移動到加工起始點

G71 U0.03 R3 調用復合固定循環指令，每次加工深度0.03mm，每次退刀3mm

G71 P1 Q2 U0 W0 F3000 X、Z方向加工余量均為0，加工進給速度為3000mm/min

N1G1 X26.4 N1～N2是復合固定循環加工輪廓線

N2Z-36

G0 X50 快速退刀到X50，Z10的坐標

Z100 快速退刀到X50，Z100的坐標

M30 程序結束

輸入加工程序、對刀、輸入各項參數、模擬加工等步驟后方可進行加工。加工過程可根據實際加工情況調整進給倍率，加工完后對鍵槽深度進行測量，如出現讓刀導致鍵槽深度尺寸不夠，需修改參數再進行補加工，以保證深度尺寸符合要求。

四、結語

用數控車床可以加工普通平鍵孔內鍵槽，同樣也可加工孔內切向鍵鍵槽。除此之外，利用X軸、Z軸兩軸聯動，還可完成鍵槽底面有1：100斜度的孔內楔鍵鍵槽的加工。數控車床能解決因缺少孔內鍵槽加工設備而遇到孔內鍵槽加工的難題，而且此法不需要復雜的刀具及專用的工裝夾具，加工成本低。由于數控車床屬于精度較高的機床，插削鍵槽過程工作臺驅動電動機頻繁正反轉及加工產生的沖擊，長時間插削加工會影響數控車床的加工精度，因此此法只適合單件、少件的孔內鍵槽插削加工。

參考文獻：

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[2]張寶林.數控技術[M].北京：機械工業出版社，1997.

[3]張樹森.機械制造工程學[M].沈陽：東北大學出版社，2004.

（作者單位：廣西石化高級技工學校）