光學底座殼體的旋風銑開粗技術的運用

鮑磊，余雁波，朵叢

（云南機電職業技術學院，云南 昆明 650203）

1 零件結構分析

光學底座殼體屬于箱體型零件，是光學產品中比較精密、尺寸形狀位置精度要求較高的光機平臺產品之一，尺寸大小為210×140×86mm，側壁薄、型腔較深、側周身特征較多，孔位尺寸要求較高，需多次裝夾重復定位，二維工程圖及3D模型圖如圖1所示。

圖1 光機殼體平臺二維工程圖及3D模型圖

2 傳統工藝加工方案

產品型腔較深需要用等高法分層切削，粗加工時需要把所用缺口有孔的地方都進行“開窗”方式加工，釋放完應力，再進行時效處理，最后留0．5mm至1mm均勻余量進行精加工。

2.1 裝夾方案的確定

用精密平口虎鉗裝夾，側面部分特征的加工也在虎鉗上翻面裝夾完成，夾持毛坯底部10mm，高于鉗口76mm的加工區域進行加工。

2.2 刀具的選擇

加工材料為2A12鋁合金，選擇φ20、φ16整體硬質合金立銑刀。根據工件總的高度為76mm，需要加工的區域高度為71mm，選擇刀具總長度為120mm,切削刃長度為40mm。

2.3 切削參數的確定

根據2A12鋁合金硬鋁的特點及光學零件的外形條件，四周壁比較薄，高度比較高，運用低轉速大吃深慢走刀的加工方式，會造成該零件嚴重變形，而且夾持深度只有10mm，極易產生振動現象，故選擇高轉速小吃深快走刀的快速分層切削加工方式，這樣極易釋放毛坯內部的應力。

根據銑削用量計算公式（1）、（2）、（3）進行切削參數的確定，其中π取3．14，V為切削速度（m/min)，D為刀具直徑（mm)，N為主軸轉速，F為工作臺進給（mm/min)，f為每齒進給量（mm/tooth），Z為齒數。

選擇銑削速度Vc=250m/min，每齒進給量Fz=0．25mm/z，確定切削參數如表1所示。

2.4 開粗策略的選擇

選擇計算機輔助編程CAM軟件，英國Delcam公司的Powermill2016軟件進行編程，粗加工運用模型區域清除策略中全部偏置區域清除策略來完成，理論加工時間為1小時24分。

2.5 數控加工設備的選擇

選擇VMC-1060加工中心進行實際加工，該設備最高轉速8000r/min、最高進給10m/min；系統為日本Fanuc 0i-MD控制系統，該系統操作穩定在數控設備中被廣泛運用。

2.6 實際加工效果

選擇相應的Fanuc后置處理生成G代碼導入到機床中實際加工出來的效果如圖2所示，開粗后的工件Z向形成了臺階狀，從開始加工到結束，一共2小時30分鐘，在加工過程中機床在遇到圓弧的時候加減速比較明顯，當刀具切到40深的時候，刀具在拐角的地方產生了振動發出尖銳的聲音，刀具磨損的地方主要集中在刀尖處，刀的刃帶處都處于完好狀態，刀具磨損情況如圖2所示。

表1 傳統工藝切削參數

圖2 傳統開粗實際加工圖及刀尖磨損情況

3 Vortex旋風銑開粗工藝加工方案

3.1 裝夾方案的確定

平口虎鉗夾持毛坯底部10mm、露出鉗口76mm裝夾。

3.2 刀具的選擇

選擇φ20、φ16整體硬質合金立銑刀，刀具伸出長度一樣，刀柄一樣均為BT40。

3.3 切削參數的確定

突出Vortex旋風銑的特色，通過使用大于刀具直徑的切削深度，及可控的切入角來最大限度地提高金屬切削率。最終切削參數如表2所示。

表2 Vortex旋風銑切削參數

3.4 機床MachineDNA的測試

利用MachineDNA捕捉單個機床的運行特點和數據，通過使用機床的最佳進給率而不是理論進給率來提高加工效率。對于VCM1060 FANUC加工中心，首先在軟件中的MachineDNA插件創建一臺FANUC控制系統的仿真機床，設置該機床最大進給率，并把PerformanceTest文件底下的五個測試程序拷貝到CF卡里，再拷貝到機床存儲器里面進行運行測試，最終把機床空運行后的加減速數據導入到Vortex策略中進行編程的使用。

3.5 開粗策略的選擇

開粗刀路運用Powermill2016軟件進行編制，選擇模型區域清除——旋風銑，根據實際情況選擇φ16的合金立銑刀行距2～3mm、下切步距20～25mm；φ20的合金立銑刀行距2～4mm、下切步距25～30mm；模型外形有的地方Z方向上并不是垂直結構，而是由陡峭的曲面構成，開粗刀路滿足最大程度去除余量的同時，還要盡可能的使加工后的模型外形接近實際模型輪廓，留下均勻的余量給精加工工序完成，所以在“臺階切削”這個選項中要設置合適的參數，“中間切削層”設置為1，代表每次Z向分層時以1mm的下切深度去逼近陡峭曲面區域，擴展區域設置為0．6，保證陡峭區域與垂直區域的銜接有0．6的重疊，特別注意“接近”選項中的切入方式，選擇斜向螺旋，刀具斜向切入毛坯時的角度不能大于2～3度，對于比較硬的材料銑內腔時可以先在下刀位置打預鉆孔，確保開粗時刀具Z向進給都是在預鉆孔中下切的，這樣可以減少刀具底齒的沖擊，增加刀具壽命；Vortex所產生的刀路軌跡，理論加工時間為41分時56秒。

3.6 加工設備

選擇VMC-1060加工中心，系統為日本Fanuc 0i-MD控制系統。

3.7 實際加工效果

運用Vortex旋風銑開粗時選用的刀具為φ16整體硬質合金立銑刀，切深達到25mm，下刀時分為毛坯外部進刀和斜向螺旋下刀，斜向螺旋下刀主要針對內腔的特征，進刀時刀具Z向逐漸以2～3度的螺旋線先切入工件，實際加工過程中，切削聲音始終一致，只有在切深為47mm時，某幾處出現相對尖銳的下刀聲音，產生的切屑，為長條形針狀的，在遇到圓弧轉角的過程中沒有出現機床抖動及加減速過于明顯的情況，機床實際進給值始終保持在給定值左右，用手放在機床面板上沒感覺出強烈的震動；刀尖處沒出現磨損，刀具刃帶處黑色涂層變為不均勻的金屬亮光澤，出現這種顏色是刀具高速旋轉過程中刃帶與工件切削時，從已加工面切入到待加工面產生的滑移現象，屬于正常顏色，刀具溫度沒出現過高粘刀的現象；整個區域清除切削時進給速度比較平穩，速度幾乎沒有損失；對于加工零件，沒有出現集屑劃傷表面現象，通過檢測粗加工后各加工面預留余量均勻都有0．5mm余量，沒有出現變形現象。實際加工情況如圖3所示。

圖3 Vortex實際加工及切屑情況

4 常規粗加工策略與旋風銑開粗策略對比分析

傳統高速開粗大部分屬于分層銑削，Z向吃刀量非常小，轉速快走刀快，很好的去除大量余量及帶走大量切屑熱；但存在一個缺點，刀具有效切削刃的利用率非常低，有效切削部位主要集中在刀尖上（每次Z向切削深度的長度），隨著切削時間的增加，刀尖很快就被磨損掉，但刀具側刃幾乎沒有什么損傷。

旋風銑開粗屬于大吃深，一次Z向切深可以達到刀具直徑的2倍以上，開粗時以螺旋進刀的方式或是外部進刀的方式，刀具先下切到Z向深度，開始以擺線形式的刀具軌跡進行加工，加工過程中始終保證刀具和工件的最小包角，圓弧過度的區域加入了擺線式的軌跡不會產生過載造成刀具損壞，切削過程中機床不會出現頻繁加減速現象。

刀具接觸角度受力均勻對于傳統粗加工刀路，超過90%的刀具路徑有最佳的切削角度，余下的10%取決于設定的切削參數，且超過90%的刀具路徑加工效率低下。對于Vortex加工刀路，沒有紅色區域，整條刀具路徑不會超過最佳切削角度，整條刀具路徑都是直線切削參數。工件表面質量方面，運用傳統粗加工后的工件，在一些側壁表面出現讓刀現象、有許多小臺階組成的紋路、小的圓弧狹窄過度區域出現震紋、底部刀紋切寬大大小小不均勻；運用Vortex加工后的工件、側壁處都是統一深度的長紋路、等于每次下切的深度、并不是由小臺階夠成的，狹窄區域沒有出現震紋、底部紋路行距均勻切寬都是統一長度、各加工表面所留余量均勻都有0．5mm，未發現過啃刀情況，尺寸都達到粗加工所需預留余量的要求。

5 旋風銑開粗推廣意義

通過實際加工證明，Vortex旋風銑比傳統粗加工具有明顯的優勢，因此Vortex高效開粗方法可以逐漸推廣到今后的實際生產中使用，不斷總結經驗，從切削工藝提高加工效率。

對于老的數控系統，可以通過測試出其機床特有的MachineDNA數據，獲得機床特有的加減速特性，將數據導入到Vortex旋風銑策略中，充分發揮出數控設備的性能，提高加工效率；再次，在航空航天、光學軍品等需要大量去處多余材料的工件及難加工材料（如鈦合金、不銹鋼、高溫合金）方面，采用Vortex策略，切削深度可以達到刀具直徑2倍，可有效提高刀具側刃的利用率，相同的情況下加工效率相對傳統分層加工工藝可以提高40%～60%。

[1]倪祥明．數控機床及數控加工技術[M]．北京: 人民郵電出版社,2011．

[2]王帥．基于變半徑擺線刀軌的復雜型月空智能加工方法研究[D]．華南理工大學，2015．

[3]劉建元,劉世能．Cimatron E高速銑削加工策略研究[J]．制造業自動化，2010,32(a6):72-75．

[4]劉胤,劉軍,楊蕓,焦剛,胡小秋．次擺線走刀在高速銑削窄槽結構中的應用[J]．宇航材料藝，2010,40(1):64-68．

[5]吳世雄,李開柱．復雜型腔模具高速銑削拐角加工的研究現狀與分析[J]．機械設計與制造，2010，(9):234-235．

[6]徐華．基于小直徑銑刀高速銑削淬硬模具鋼加工效率和切削力的研究[J]．制造技術與機床，2013，(12):137-139．