自制鏜刀轉向桿有效解決箱體零件加工難題

■ 江蘇自動化研究所 （江蘇連云港 222000） 袁保寧

箱體零件作為某型號產品的重要零部件，其形狀復雜、尺寸精度和幾何公差嚴格、整體變形量要求高，若要高質量地完成，加工難度較大，需要五軸加工中心、高精度數控車等設備支持。

目前，車間只有三軸加工中心，配置的數控車在加工范圍和加工精度上均不能滿足圖樣設計要求。結合自身制造條件，在不增加任何投入的情況下，如何在三軸加工中心完成零件的加工需要解決三個難題：首先是復雜曲面零件的裝夾工藝及加工問題；其次是在三軸機床如何實現五軸定向加工問題；最后是如何替代數控車完成高精度內外圓同步加工問題。經過不斷摸索，我們完美解決了上述難題，現就這三個問題詳細闡述如下。

1.復雜曲面零件裝夾工藝及加工問題

圖1 零件

零件形狀復雜，如圖1所示，存在大量曲面、斜面和圓弧，正反面有較高的相對位置要求，空間曲面的裝夾、定位非常困難。按照傳統加工工藝方式，無論首先完成任何一個面的加工，另一個面基準找正、裝夾、加工都非常困難，且零件易松動、變形，加工質量無法保證；并且為充分釋放加工產生的應力，控制變形量，需要零件在全部粗加工完成后，經時效處理再進行精加工，這對裝夾工藝及加工方案提出了難題。為有效實現零件多面特征裝夾，保證曲面特征、尺寸精度和幾何公差，控制變形量，經論證，決定采用“圍框”式裝夾工藝及加工方案，具體實施內容如下。

（1）“圍框”的確定 零件中三個呈120°均布的支架形成一個φ310mm的圓，以此為基準，單邊留余量5mm，形成一個320mm×320mm的矩形作為創建“圍框”式邊界，如圖2所示。一方面可以通過千分表找正矩形直角邊外形完成基準準確定位，使正反面加工基準高度一致；另一方面粗加工時可以將零件快速方便地直接在虎鉗上夾持完成加工；同時，預留的四周余量可以在精加工時使用壓板夾持固定。

圖2 “圍框”式邊界

（2）“圍框”式裝夾及加工工藝 備料毛坯：326mm×326mm，單邊加工余量3mm。首先使用虎鉗夾持毛坯，加工上表面及320mm×320mm矩形，然后粗加工反面各臺階、曲面及斜面，其中三個呈120°均布的支架獨立加工。然后利用精密虎鉗夾持“圍框”矩形，以320mm×320mm矩形外形為找正基準，粗加工零件厚度、正面各臺階、曲面及斜面。此時粗加工工序全部結束，零件通過12處缺口面及三個支架與“圍框”相連，整個半成品牢固可靠，變形量極小。

經時效處理將加工應力充分釋放，零件直接置于機床工作臺面上，在確保其始終處于自由狀態的情況下，通過壓板完成對零件的夾持固定，使用千分表找正“圍框”矩形外形，以此為基準確定零件中心。首先完成厚度方向表面精加工，然后對反面粗加工區域進行精加工，其中高精度內孔、外圓在最后工步完成加工，留0.1～0.2mm精鏜余量。同樣裝夾工藝，找正“圍框”矩形外形，以反面加工的半精鏜通孔為基準，完成零件厚度及正面粗加工區域的精加工工作，從而確保零件正反面相對位置的高度一致。

零件全部加工完成后，使用自制專用環形墊塊實施對零件三處支架的有效支撐，通過零件內孔穿螺釘搭壓板方式完成對零件的夾持固定，以圖2中A處作為進出刀點，完成零件的外形加工，實現零件與“圍框”的分離工作。為控制變形，Z向采用分層加工方式，僅在底面三個支架處留0.05mm余量與“圍框”相連，每刀切削深度0.3mm，選用小刀徑大螺旋角立銑刀高速加工完成。由于支撐牢固、裝夾穩定，特別是極小的分層切削，大幅降低了切削力的產生，加工完成后使用刀片將三個支架處0.05mm厚鋁皮輕輕劃破，即實現了零件與“圍框”的完美脫離，且零件沒有因此產生變形。圖3所示為零件在三種狀態下加工后的實際效果。

（3）刀具選擇及切削參數刀具選擇 鑒于波形刃立銑刀和大螺旋角立銑刀在粗、精加工方面優異的加工性能，我們在零件全部銑加工中均選用不同直徑的國產鋁用整體硬質合金波形刃立銑刀和45°大螺旋角平刀及球刀分別進行粗、精加工。

切削參數：粗加工時根據不同加工區域的強度和狀態，主要選擇φ20mm、φ10mm兩種直徑波形刃立銑刀，深度方向以每刀切削深度5mm為參考，分層加工，φ20mm銑刀主軸轉速n＝3 000r/min，進給速度vf＝800mm/min；φ10mm銑刀主軸轉速n＝4 000r/min，進給速度vf＝1 200mm/min。精加工時選用同直徑45°大螺旋角銑刀，余量0.1mm一次加工到位，刀具每齒吃刀量控制在0.1mm，主軸轉速n＝5 000r/min，進給速度vf＝1 500mm/min。

圖3 零件加工效果

（4）數控銑加工過程的重點控制 曲面的形位尺寸精度由本工序控制，在優化選擇刀具及相應切削參數的前提下，如何確保加工精度和表面質量，同時兼顧生產效率，對切削方式的選擇提出了較高的要求。我們將設計模型圖直接轉換為Mastercam 實體三維圖，進行Mastercam三維編程，并在加工路徑和程序參數上做了優化，避免產生空刀路徑，以小切削深度大進給的方式減少切削應力產生，控制零件變形。粗加工曲面時，首先使用平直刀以曲面挖槽方式加工出大致形狀，然后使用球刀全部以等高外形加工方式，適當增大Z向銑削間距，在控制變形的前提下，以保證加工效率為目的，快速高效地完成零件粗加工。

精加工曲面時，由于不同曲面、同一曲面的不同區域其曲率相差較大，不適宜采用單一曲面加工方式，為確保加工質量同時兼顧效率，針對不同情況分別采用等高外形、曲面流線及3D等距等不同的曲面加工相結合方式，充分發揮各自優勢，使加工過程中材料受力均勻，減少振動和變形，大幅提高了表面質量和加工精度。

加工結果證明，“圍框”式裝夾加工工藝完美解決了復雜曲面零件的裝夾、定位及加工精度的問題，以此為基礎，配以合理的刀具選用、優化的切削方式和切削參數，優質高效地完成了加工。

2. 在三軸加工中心實現五軸定向加工

（1）加工背景及方案 為防止裝配時出現干涉，在零件的支架附近設計兩處三維小斜面，如圖4所示，為保證尺寸精度及表面質量，設計要求必須由機床完成三維斜面及根部清角加工，不允許鉗工修銼。因此無法使用球刀在三軸加工中心進行三維斜面銑削，而必須使用平刀由五軸機床的雙軸復合轉動完成定向加工。

在不具備相關設備的情況下，經過論證，將一臺報廢坐標鏜床的雙向回轉臺附件安裝在三軸加工中心，通過人工搖動回轉盤，代替五軸機床實現A、C軸復合旋轉功能，完成空間三維斜面的定向加工。

（2）雙向回轉臺精度檢測 由于設備陳舊、長期閑置，其旋轉精度達不到圖樣設計要求，根據零件三維斜面需要旋轉的角度，在轉臺上利用試件加工了一系列特征孔，通過檢測計算出轉臺旋轉精度差值，加工時進行人為補償，確保三維斜面定向準確。

（3）零件裝夾找正及加工 回轉臺處于水平狀態，將零件置于回轉臺面，千分表找正零件“圍框”矩形外形及精鏜通孔，確保零件中心、轉臺回轉中心及機床主軸三者同心，通過轉臺中心孔使用螺釘壓板將零件固定在轉臺上，依據精度檢測值，手工搖動轉臺完成零件雙向旋轉，實現三維斜面空間定向，使用φ4mm立銑刀完成加工，如圖5所示為現場加工實景。

加工結果證明，利用雙向回轉臺巧妙解決了在三軸加工中心實現五軸定向加工問題，實現了三維斜面及根部清角的加工，經檢測完全達到圖樣設計要求。

圖4 三維斜面

圖5 加工現場

3. 自制鏜刀轉向桿完成高精度內外圓同步加工

（1）加工背景 如圖6所示，零件中有一組高精度內外圓需要加工，因為安裝時有配合要求，所以對尺寸精度、圓柱度、同軸度及表面粗糙度提出了很高的要求。正常情況下該工序一般安排車工完成，由于本部門配置的數控車床在夾持范圍和加工精度上均達不到圖樣設計要求，因此必須放棄慣有思路，依托現有條件，另辟蹊徑。

現有加工中心受機床精度制約，執行G02/G03圓弧銑削指令完成加工的內外圓，不僅圓柱度無法滿足φ0.008mm的圖樣設計要求，而且表面粗糙度值1.6μm及外圓和內孔φ0.01mm的同軸度也達不到要求，只有利用主軸高精度旋轉通過鏜的加工方式解決問題，而現有刀具廠商提供的鏜頭只能加工內孔。因此，如果能夠解決車間現有鏜頭的外圓加工問題，就可以實現零件高精度內外圓同步加工，取代車床，確保所有精度達到要求。

（2）設計圖樣的確定 通過對鏜頭結構分析，結合各類鏜刀尺寸，在不增加額外投入的情況下，以至簡實用為目的，自制鏜刀轉向桿，完成鏜刀刀尖180°換向，使用M04指令機床主軸逆時針旋轉，實現了外圓的鏜加工功能。如圖7所示為鏜刀轉向桿設計圖。

圖6 零件結構

圖7 鏜刀轉向桿結構

（3）使用說明 如圖8所示，將鏜刀轉向桿φ20－0.005－0.020mm的帶扁平面的軸插入與之配合的鏜頭側面孔中，根據所鏜零件外圓直徑大小，對軸伸出的長短進行粗略調整，然后將鏜頭側面三個M12螺釘頂在轉向桿扁平面上，既起到定向作用，又能固定刀桿防止轉動。將加工使用的鏜刀裝入刀桿與之配合的φ20+0.02+0mm孔中（刀尖指向回轉中心），通過刀桿側面起鎖緊、定向作用的M8螺釘，將鏜刀準確固定在刀桿中，此時主軸逆時針旋轉，即可完成外圓的鏜銑加工。

由于鏜刀轉向桿φ20－0.005－0.020mm的軸與鏜頭側面孔、φ20+0.02+0mm的孔與鏜刀柄均設計加工＜0.02mm的裝配間隙，同時孔與軸心線的對稱度控制在0.02mm以內，因此整個裝置牢固可靠，具有較高的定位精度，確保刀尖運動時始終處于旋轉圓弧的最高點，實現了鏜刀的精確調整移動，為零件外圓的高精度鏜銑加工提供了保障。

為擴大鏜刀轉向桿的使用范圍，在用于安裝鏜刀的φ20+0.02+0mm孔兩側，均設計加工了起鎖緊定位作用的M8螺釘孔，當鏜刀刀尖向外時，通過另一側M8螺釘將其準確固定在刀桿上，同樣一把鏜刀，僅僅將其旋轉了180°，此時主軸順時針旋轉，就可以方便地完成內孔的鏜銑加工。

利用自制鏜刀轉向桿，圓滿完成了符合要求的高精度外圓加工，同步完成了零件內孔加工，確保了兩者φ0.01mm的同軸度設計要求。經三坐標測量儀檢測，零件所有相關尺寸精度及幾何公差均達到設計要求。

4. 結語

結合自身制造條件，在不增加任何投入的情況下，通過工藝創新設計和實施，取代五軸加工中心和數控車床，解決了某型號箱體零件在普通三軸加工中心的加工難題，在保證質量的同時，大幅降低了加工成本。特別是利用自制鏜刀轉向桿，在普通加工中心實現了零件的高精度內外圓同步加工，有效擴大鏜頭的使用范圍，為以后此類問題的解決提供了加工經驗和技術支持。

圖8 鏜刀轉向桿與鏜頭