環形斜槽的數控仿真加工研究*

李麗萍

(廈門工學院 機械科學與電氣工程學院，福建 廈門 361021)

0 引言

軸類零件在機器裝配中主要起支承、傳遞動力等作用，其表面特征有內外圓柱面、內外圓錐面、軸肩、槽和螺紋等，其中槽的類型主要有退刀槽、外圓槽、內孔槽等[1]，槽形主要以直槽、斜槽為主，而環形直槽和斜槽的常見加工方法是采用槽刀在車床上完成加工。環形斜槽因其結構特殊性，加工前必須充分考慮斜槽的結構特征及槽刀的結構參數，合理選擇工藝路線和切削用量。本文參考廈門工學院機械類專業學生在金工實習中常采用的3 mm寬的左刀尖高速鋼槽刀加工環形斜槽的實例，應用斯沃數控仿真加工軟件，探索環形斜槽的數控加工方法、常見加工問題及解決方案，給軸類零件環形斜槽的數控加工提供仿真加工實踐參考。

1 斜槽的仿真加工舉例

1.1 加工工藝路線分析

被加工零件如圖1所示，該零件表面上有兩類斜槽，分別是寬度為4 mm、斜度30°的環形斜槽及尺寸為6 mm×2 mm、斜度為45°的單邊右斜槽。打開斯沃數控仿真軟件，毛坯尺寸可選為Φ36×84，材料為低碳鋼，按如下加工工藝規程進行仿真加工：

(1)裝夾毛坯，毛坯伸出卡盤長度約70 mm。

(2)采用外圓車刀平端面并完成對刀。

(3)粗、精加工圖1中從左往右至Φ34臺階結束處，即Z-59，并滿足軸向尺寸要求。

(4)槽刀加工兩處30°雙向環形斜槽至尺寸要求(槽刀徑向進刀，且徑向留0.2 mm精加工余量，底部軸及雙向斜邊精加工)。

(5)零件調頭，卡盤夾Φ34外圓，滿足軸向尺寸平端面并完成對刀。

(6)粗、精加工圖1從右往左輪廓至Z-26處。

圖1 零件圖

(7)槽刀加工6 mm×2 mm環形右斜槽至尺寸要求(槽刀軸向步距2 mm，徑向進刀，徑向留0.2 mm精加工余量，底部軸向及右側斜面精加工)。

(8)粗、精加工螺紋M24×1.5至零件圖上的尺寸要求。

按照圖1零件進行數控仿真加工，各工序刀具及切削用量[2]的選擇如表1所示。

表1 刀具及切削用量

1.2 雙向環形斜槽的仿真加工

根據加工工藝規程，工件首次裝夾應完成前述1.1中的(1)～(4)，所以刀具T01平端面后應完成T01、T02、T03的對刀，且在30°雙向環形斜槽加工前，工件的仿真加工已完成工藝規程的(1)～(3)，對應的完成狀態如圖2所示。

圖2 30°斜槽加工前工件形態

根據30°雙向環形斜槽的加工精度及表面質量要求，選擇T03進行加工時，采用步距2 mm、徑向進刀的方式，徑向單邊留0.2 mm精加工余量。兩次徑向走刀后完成粗加工，斜槽的雙側斜面及槽底的精加工通過一次走刀完成。采用如表2所示的數控加工程序，斯沃數控仿真加工結果如圖3和圖4所示。

圖3 第一個雙向斜槽加工結果 圖4 第二個雙向斜槽加工結果 圖5 單向環形斜槽加工前工件形態

表2 雙向斜槽的數控加工程序

1.3 單向環形斜槽的仿真加工

工件掉頭裝夾，夾持Φ34外圓處，采用T01車削平右端面，保證零件的軸向尺寸加工精度，并完成T01、T02、T03和T04的對刀，在6 mm×2 mm單向環形斜槽加工前，工件的仿真加工已完成工藝規程的(1)～(6)，工件的仿真加工完成狀態如圖5所示。

T03刀寬3 mm，步距2 mm，故6 mm×2 mm單向斜槽的粗加工應從槽的左側開始采用3次直進法完成切割，粗加工時單邊留0.2 mm的軸向精加工余量。然后將T03定位在斜面開始處(即X24Z-17)，通過一次走刀完成斜面精加工及橫向切削修光。其數控程序如表3所示，仿真加工結果如圖6所示。

圖6 單向環形斜槽加工結果

表3 6 mm×2 mm單向斜槽的數控加工程序

2 斜槽加工常見問題及優化建議

2.1 斜槽加工常見問題

帶倒角的環形斜槽看起來簡單，但因其結構要求的特殊性，在實際加工時存在以下常見問題：

(1)因刀寬與槽寬不相等、槽的表面質量要求較高帶來的編程及加工問題。當槽寬大于刀寬時，應根據實際情況合理安排步距，采用多次徑向進刀法完成零件的切削加工[3，4]。當槽的表面質量要求較高時，應合理安排粗、精加工，通常留出0.15 mm～0.2 mm的精加工余量，斜槽倒角與槽底精加工安排在一次切削加工中完成。

(2)因退刀路線安排不合理產生碰撞問題，引起槽刀損壞或零件破損。斜槽加工的退刀方式與直槽加工的退刀方式一致，先徑向(X向)退刀，再軸向(Z向)退刀；如果先退軸向再退徑向，則會發生碰撞問題。

(3)斜槽因深度尺寸大帶來的加工難題。當槽的深度尺寸較大時，應根據槽深與槽寬的尺寸比例關系[5]，合理安排數次徑向進刀，每次徑向進刀完成一定深度的切削加工后，須有相應的退刀操作。為提高加工效率，每次徑向進刀后的退刀距離應小于進刀量，反復幾次，直到槽的切削加工完成為止(與深孔的加工類似)。

2.2 優化斜槽加工

斜槽加工應根據其加工特點進行優化，主要有以下幾種方案：

(1)優化加工順序。因工件強度在斜槽加工前后的變化程度較大，故最佳加工順序是保證斜槽及各工序加工質量的主要途徑。因此外圓、內孔通常安排在斜槽加工前，螺紋則安排在斜槽加工后。

(2)優化切削用量。切削速度和進給量對斜槽的加工精度和表面粗糙度起了關鍵作用，不合理的切削用量不僅會給切削加工工藝系統帶來顫振，而且會大大降低槽刀的使用壽命。切削用量的選擇需綜合工件材料的性質、槽刀的幾何形狀等方面考慮，如本文中例子，采用的是高速鋼材料的槽刀加工鋼料，此時切削速度的取值范圍是30 m/min～40 m/min，進給量的取值范圍是0.05 mm/r～0.1 mm/r。

(3)優化走刀路線。斜槽的走刀路線在保證加工質量的前提下，應縮短工藝路線，減少空走刀時間[6]。槽刀在粗加工時只能徑向進刀去除加工余量，不能軸向走刀。故斜槽的走刀路線通常以槽刀的刀位點確定起始點(左刀尖槽刀起始點在槽的最左側，右刀尖槽刀起始點在槽的最右側)，粗加工時留出0.2 mm作為精加工余量，斜槽的倒角加工與槽底的精加工通過一次走刀完成即為最優走刀路線。

3 結語

環形斜槽是軸類零件常見的表面特征，斜槽的數控加工是應用型本科高校機械類專業學生在數控實習、數控技能考證中常見的問題。為了更好地掌握環形斜槽在數控車床上的加工工藝，本文從斜槽的斯沃數控仿真加工入手，詳細地展示了斜槽的仿真加工過程。并對斜槽加工中常見的幾類問題進行了分析，同時也對優化斜槽加工提供了幾種通用可行的方案，給環形斜槽在數控車床上的加工提供了理論依據和仿真參考，具有良好的示范價值。