低頻振動切削在加工焊槍主軸零件中的應用研究

孫春霞 胡小平

(①常州機電職業技術學院，江蘇常州213164；②常州市黑狼焊割設備有限公司，江蘇常州213164)

1 問題的提出

圖1為松下P500氣保焊槍中連接焊槍彎管(外牙)與電纜的主軸，毛坯是T2紫銅管φ19 mm×φ11 mm。要大批量生產，但切削加工中存在幾個嚴重問題。

(1)不斷屑。車削加工時切屑成如圖2所示長屑，需人工頻繁鉤屑清理，不能長時間連續運轉，還經常劃傷已加工表面。

(2)車孔不排屑。車削鏜孔，長屑纏繞刀具不排屑，嚴重劃傷孔表面，不能正常加工。

(3)鉸孔質量不合格。鉸孔與外圓同軸度不時會超差，經常夾屑劃傷孔表面，孔兩端出現錐度等現象，成品率極低，廢品率很高。

2 低頻振動加工

現有CITIZEN公司的一種設備L20E-2M9可以實現低頻振動加工，來解決斷屑難的問題。

2.1 切削原理

在主軸轉速和刀具進給速度恒定不變的情況下，主軸給Z向疊加一個交變振動進給量(圖3)，使切削路徑上相鄰兩圈的波“峰”與波 “谷”重疊(空振區域)，形成斷續切削狀態來斷屑的一種低頻振動切削方式。圖4是主軸每轉一圈，Z軸方向振動周期數為1.5次的波形圖。

如果主軸每圈振動周期數是整數1、2……，波形平移不會重疊，就沒有空振區域，是無法斷屑的。只要主軸每圈振動周期數為小數，就有可能出現空振區域。

2.2 參數計算

該機床是通過程序來實現低頻振動加工的開始與結束。例如加工由φ19 mm至φ17 mm的振動程序如下:

其中，G165 P1表示低頻振動切削開始，G165 P0是振動加工結束。

采用低頻振動切削時，需計算確定振動周期數D、主軸轉速n、進給量F、進給倍數Q等幾個參數。

(1)振動周期數D。每圈振動的周期數D等于工件待加工圓周長度除以振動周期長度AB(圖4)。由于進給量比較小，故θ角很小，即 cosθ≈1。故:

由圖4可見，實際切屑長度等于每次振動周期長度AB減去空振區域寬度，需根據被加工工件材質、大小等因素決定，達到斷屑目的。振動周期數D取0.5、1.5、2.5……比較好，即切削路徑上相鄰兩圈的波形有半個波形相位差，使得相鄰兩圈的波“峰”與波 “谷”能夠重疊，達到最佳斷屑效果。

(2)主軸轉速n。主軸轉速計算如下:

振動頻率由加工設備給定，影響設備使用壽命等，不能超越。

(3)進給量F。進給量一般在F=0.02～0.03 mm/r，如果過大，會引起機床劇烈振動，影響加工質量、有損加工設備。

(4)進給倍數Q。用進給量F的倍數Q來控制振幅大小(圖4)，振幅=Q×F。進給倍數大于1才有振動斷屑可能，常取Q=1.5、2.0、2.5……，增大倍數有利斷屑。

3 工藝數據試驗

加工設備20E-2M9車削中心，機床設定最高使用頻率為62.5 Hz。本工件待加工外圓周長19×π，切屑不纏繞工件、刀具且易排屑、不需手工干涉的振動周期長度AB分別為24 mm、40 mm做切削實驗，所用切削參數見表1。

表1 試驗參數

3.1 斷屑效果

當采用第1組試驗參數加工φ19外圓時，切屑如圖5所示，加工時會自動斷屑，切屑卷曲，不纏繞刀具和工件，搜集切屑測量，長度在14 mm左右。

當選擇第2組試驗參數時，切屑呈崩碎型，如圖6所示，測量長度在5 mm左右，斷屑效果更佳。

3.2 圓度

表2是試切工件的圓度測量值。

表2 外圓圓度測量值

比較可見，主軸轉速2 500 r/min的圓度要好于1 500 r/min時的圓度，即高轉速、小的振動周期數有利于圓度精度的提高，振動加工比無振加工的圓度要差些。

圖7是圓度測量曲線圖，7a是主軸2 500 r/min、D=1.5時的曲線，7b是主軸1 500 r/min、D=2.5時的曲線，7c是無振下的曲線。從試切工件的測量數據分析，發現背吃刀量越小，圖形越趨向于無振的圖形曲線，這符合常規切削效果。故當切削余量比較大時，可以采用粗、精車的方式，獲得符合要求的加工表面。

3.3 表面粗糙度

表3是試切工件的表面粗糙度測量值。

比較可見，主軸轉速2 500 r/min時的表面粗糙度值與1 500 r/min時的比較接近，即高轉速、小的振動周期數對于表面粗糙精值的減小不明顯。背吃刀量與表面粗糙度的關系，符合常規切削效果的規律。當背吃刀量超過1 mm時，粗糙度值將明顯增大。

表3 外圓表面粗糙度測量值

4 結語

經切削試驗研究獲得，在L20E-2M9機床上低頻振動車削加工焊槍主軸零件內外圓的兩組數據，均能有效斷屑、自動排屑、獲得質量穩定的合格零件，大批量生產得以順利進行。證明了文中各種參數計算的準確、有效性，具有參考意義。盡管低頻振動切削加工方式對塑性材料能有效斷屑，但受加工設備允許的振動頻率限制，加工效率、加工精度要略低于常規無振動加工。