基于加工中心的大尺寸深腔之精加工方法

郭偉民

(河南職業技術學院，河南鄭州 450046)

1 工藝分析

在利用加工中心進行模具制造的時候，經常會加工一些用于配合的型腔，如圖1所示。

假定其毛坯為鑄件，單邊留有約為10 mm的加工余量。顯然，該件形狀并不復雜，只是長、寬、高基本尺寸大，500 mm×350 mm×150 mm;而公差又小(0.03 mm)，加工難度偏大，容易造成加工時間長。集中表現為4個問題:

(1)鑄件毛坯的圓弧R15過渡部分的余量較大，而且該部位在內壁的加工過程中容易抗刀、傷刀，嚴重時會導致工件移動，所以應該考慮如何有效加工該部分。

(2)內壁和底面尺寸大、精度高，精加工過程中，刀具易磨鈍，加工時間很容易變長。所以在保證質量的前提下，應該考慮如何縮短該部分的加工時間。

(3)精加工尺寸的檢測也很關鍵。選用什么樣的量具檢測，如何檢測，直接關系到精加工尺寸的準確性和有效性。

(4)內壁與底面之間如何圓滑過渡(R5的加工)，不留接痕。

對此有沒有什么較好的辦法，能夠高效高質量地完成這類深腔的加工呢?

2 解決辦法

根據以上分析和實際加工經驗，提出以下加工方法:首先加工出四周內壁之間的圓弧過渡部分，再分別對內壁和底面進行粗加工和精加工，最后加工底面與內壁間的圓弧。具體如下。

2.1 清理四周的圓弧過渡部分(R15)

該部分是可以在整個內壁的加工過程中附帶加工的，通常也可以這么做。但容易出現的問題是:

(1)因余量大而傷刀、甚至導致工件移動。換刀或重新確定工件坐標系，都會增加加工時間;不僅如此，如果不能及時發現工件已經移動而繼續加工的話，最終可能導致工件報廢。

(2)余量不很大，但抗刀，刀具每走到此處就發出聲響，加工表面質量很差。因此，每加工到該處就只好大幅度降低走刀速度(正常走刀速度的一半，甚至更低)，并調低轉速，結果不但延長了加工時間，也增加了操作難度，而且表面質量往往不理想。

基于此，建議首先把四周的圓弧過渡部分(R15)加工出來。由于該部位是自由公差，非配合面，其實際作用是讓位和避免應力集中，因此加工時，在照顧到圖紙要求的同時，要盡可能消除加工內壁時在此處容易發生的抗刀現象。具體怎么加工呢?有以下兩種選擇:

(1)可以選用直徑相對小一些(不發生干涉)的立銑刀，進行大吃刀量的內圓弧切削(編程)，通過調整刀補可使實際圓弧略大(0.3～0.5 mm)。由于加工面小，吃刀量又大，加工時間不會很長，只是增加了編程時間;但這種程序簡單、不費事，加工起來也方便、安全。

(2)如果有和圓角直徑正好相近的立銑刀(如圖1所示，若R=15 mm，自由公差，則可用φ(30±2)mm的立銑刀)，尤其假若是鍵槽銑刀(如圖2所示)的話，建議像鉆孔那樣，自上而下加工這4個圓角，從而可以在更短時間內完成加工。

圖2 鍵槽銑刀

至于刀徑的選擇，可以按圖紙尺寸的公差下限選擇刀徑(≥φ28 mm)，并根據實際刀徑確定實際圓心(較圖紙上的名義位置稍稍外移)，讓圓弧相應外移，從而避免加工內壁時的抗刀現象;也可以按圖紙尺寸的公差上限選擇刀徑(≤φ32 mm)，并按圖紙上的圓心位置進行加工，圓弧也讓出來了。后者更簡單實用。

刀具和加工位置確定以后，手動操作就可以在很短時間內完成4處圓弧的加工，表面質量和尺寸亦有保證，并為內壁的順利加工奠定了基礎。

至于深度方向的尺寸(根部有R5)，考慮到與底面之間的圓弧過渡，可以留5.1 mm的余量，待整個底面的主要部分精加工完成后，選擇合適的刀具，測量高度差并加工。

把上面的問題再延伸一下。如果內腔面積較小，未鑄出，圓弧也不是很大，怎么加工好呢?如圖3所示，建議在相應位置用普通鉆頭鉆孔。思路和前面說的一樣，既要出形狀，也要避免抗刀現象。加工出來的孔亦可作為粗加工內腔的下刀位置。

總之，在對四周的內壁進行粗加工之前，有必要先完成圓弧過渡部分(R15)的加工。

圖3 型腔未鑄出的毛坯

2.2 對四周的內壁進行粗加工(單邊余量0.3～0.5 mm)

加工之前應對余量有所了解(測量)。假定單邊余量是10 mm左右，那么選用哪種刀具合適呢?建議選擇形如圖4所示的粗加工銑刀(一些材料上稱之為波刃銑刀或粗皮銑刀)。在余量為單邊10 mm的情況下，結合所用刀具粗細(文中刀徑不大于30 mm)，一次吃刀量可在50～80 mm左右，而進給速度也可以達到F100左右，可以實現快速、安全的加工。

圖4 粗銑刀

2.3 加工底面

如果有形如圖5所示的R5牛鼻刀(圓弧銑刀)，加工就會快很多。這類刀具剛性好，加工質量好，并可捎帶著加工出大部分圓角R5(若刀徑大于φ30 mm，內壁過渡圓弧R15處的R5不能加工)。可以采用行切加環切的加工路徑，并高轉速、高進給速度(F≥800);如果余量在10 mm左右的話，分2～3次分層粗加工，然后檢查刀片工作部位磨損狀況(必要時轉換刀片)，測量余量并進行精加工。其刀徑大于φ30時，在圓弧R15附近出現的未加工部分，可用直徑不大于φ30的R5圓弧銑刀代勞。

圖5 牛鼻刀

但有一個問題，即牛鼻刀的圓角和工件根部的圓角不一樣時，怎么辦?可以分別用不同的刀具加工底面和根部圓角，即根部圓角單獨加工。其實根部圓角R5在實際應用中僅起讓位作用，避免應力集中，因而實際尺寸宜略小而不宜大。加工該部位的刀具滿足以下兩點即可:

(1)刀尖部位是圓弧R5;

(2)避免刀桿部分和內壁的摩擦。

因此，單件生產的話，考慮到經濟性，沒必要購買具有相應圓弧的牛鼻刀;可以結合生產現場實際情況，在現有刀具中選擇和制作，雖然這會增加工作量。在實際應用中，經常會看到刀徑大于φ25 mm的2刃立銑刀，其桿部直徑標準化了，固定為某一尺寸(比如φ25 mm)，因而桿部直徑小于刀徑。當這種刀具用到一定程度，其刃長越磨越短(圖6所示刃長剩8 mm)，此時可將其改造為如圖6所示的圓弧銑刀，專門用來清根。

圖6 圓弧銑刀

2.4 四周內壁的精加工

受圓弧R15的限制，所選刀徑不能很粗，但最好略小于φ30 mm，以提高剛性。如圖7所示的4刃精加工立銑刀就可以。對刀徑要準確測量，裝刀后有必要在主軸上檢測其旋轉時的擺動情況。然后，按粗加工的最大余量所確定的尺寸試加工一遍，測量，并依此修改刀補之后，才可繼續加工。

圖7 精加工立銑刀

在內壁精加工過程中，容易出現3個問題:

(1)凸筋。是由于刀具某一高度上的側刃損壞而造成的。解決辦法是:在最后一、兩遍精加工之際，把加工深度值Z上下微調(0.3～0.5 mm)一下，如圖8所示。

(2)斜面。指在加工過程中，內壁上部尺寸偏大而下部尺寸偏小，始終呈斜面。如果此時再換新刀，費時費力風險大，效果不佳。

出現這種情況后，在最后一遍精加工之前，采用一、兩遍逆銑，往往很出效果。

(3)接痕。即在根部圓角R5與內壁過渡地帶容易有接痕。在精加工立銑刀對刀準確的情況下，把加工圓角R5的刀具的有關參數(Z坐標和刀補)進行調整，消除接痕。

最終的表面質量應該是:目測，表面呈現均勻、近似于平行的豎線，而非斜線;手感光滑均勻。

圖8 側壁精加工

2.5 檢測

在這種尺寸公差小的加工過程中，準確測量很重要。高度尺寸H可利用百分表準確測量;內腔的長寬(L×B)用什么測量好呢?

加工過程中可以用內徑千分尺。但內徑千分尺兩端的工作面很小，接觸面有限，往往不能反映全貌;而且操作者用力大小不同，效果也略不同;還有千分尺和被測量面的垂直關系也難保證。因此最終檢測時，比較權威的測量工具應該是量塊。如圖9所示，根據尺寸，把若干個量塊研合后，用手輕輕平推進去，剛好嵌入，不晃動，從上到下、從前到后均可勉強滑動，表明尺寸合格。此時的尺寸接近下偏差值，這也符合使用要求。

圖9 量塊測量

用這種方法作為最后測量，比用內徑千分尺測量更準確、更權威。

3 結束語

這類深腔在模具制造企業經常遇到，在加工中心上一次裝夾后可以完成全部加工，掌握其有效的加工方法會有助于提高生產效率和產品質量。其他材質(比如鋁合金)的內腔的加工，也可借鑒此法。文中提到的一些加工技巧在類似的情形下也可使用。

隨著新工藝、新材料的發展，在條件(設備和刀具)許可的情況下，這種深腔的加工也可以實現局部或全部高速加工。