一種螺旋式浮動(dòng)倒角刀具的開發(fā)與應(yīng)用

齊光輝，王樂，董樂，王智，郭華衛(wèi)

中國第一汽車股份有限公司 吉林長春 130011

1 序言

在開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品零件后，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋等多面殼體會(huì)出現(xiàn)毛刺、飛邊現(xiàn)象，這就需要對(duì)其進(jìn)行徹底清理以保證后續(xù)正常裝配使用。同時(shí)，由于工件毛坯輪廓尺寸不統(tǒng)一，或是異形曲面輪廓高低起伏不平，從而無法采用數(shù)控編程對(duì)工件輪廓進(jìn)行統(tǒng)一加工。遇到這些情況時(shí)通常采用手工處理，主要包括手持刮刀處理以及手持電動(dòng)磨削倒角工具等處理方法。這些方法工作強(qiáng)度大、效率低、易刮傷零件加工表面且極易劃傷操作人員[1，2]。此外，加工零件需要保證一定的輪廓以及邊緣去除量，通常有0.2～0.5mm的深度要求，因此僅僅通過手持工具很難保證去除余量的一致性，最終造成零件輪廓等邊緣處出現(xiàn)深淺不一的狀況，對(duì)零件表面質(zhì)量造成影響。因此，如何快速解決零件加工后表面輪廓產(chǎn)生的飛邊、毛刺，以及保證零件毛刺去除余量均勻，提升零件表面質(zhì)量等關(guān)鍵問題，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品研發(fā)具有重要意義[3]。

為解決上述問題，本項(xiàng)目提供一種螺旋式浮動(dòng)仿形去毛刺裝置。本裝置采用數(shù)控編程，可自動(dòng)跟隨零件輪廓進(jìn)行倒角，其根據(jù)加工過程中切削力的變化可以自動(dòng)追蹤輪廓線偏差進(jìn)行浮動(dòng)伸縮，從而達(dá)到自動(dòng)仿形倒角的目的，提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 技術(shù)方案

2.1 浮動(dòng)仿形去毛刺刀具裝置的組成

浮動(dòng)仿形去毛刺刀具裝置如圖1所示，其組成包括：①倒角刀頭，用于加工工件倒角，刀具直徑和倒角角度可選用。②E型螺母，用于鎖緊加工刀具。③E型夾套，用于裝夾加工刀具。④螺旋槽刀桿，用于夾持加工刀具，并在刀桿上設(shè)置均勻分布的3條螺旋槽，用于刀具旋轉(zhuǎn)加工時(shí)，可以使刀桿在軸向自由螺旋升降，從而達(dá)到刀具浮動(dòng)加工的效果。⑤前端密封圈，在刀具加注內(nèi)部切削液時(shí)，與夾持刀柄相互配合從而起到切削液密封作用，防止切削液從刀桿和夾持刀柄滑動(dòng)處流出。⑥彈簧底座螺塞，通過螺紋聯(lián)接螺旋槽刀桿8，并利用凸臺(tái)位置固定彈簧方向，防止彈簧左右竄動(dòng)。⑦彈簧，置于夾持刀柄1中，用于穩(wěn)定螺旋槽刀桿8軸向位置，并起到調(diào)節(jié)軸向彈力大小作用。⑧調(diào)節(jié)螺塞，用于調(diào)節(jié)彈簧5行程，以及控制彈簧軸向彈力。⑨后端密封圈，在刀具加注內(nèi)部切削液時(shí)，與夾持刀柄1相互配合，從而起到切削液密封作用，防止切削液從刀桿和夾持刀柄1滑動(dòng)處流出。⑩鋼珠螺塞，分別均勻置于夾持刀柄1的槽口中，用于固定鋼珠14。?鋼珠，分別均勻置于夾持刀柄1的槽口中，與螺旋槽刀桿上的螺旋槽配合，起到固定螺旋槽刀桿8滑動(dòng)方向的作用。?夾持刀柄，裝載以上零部件，并直接可以裝夾在各種刀柄中使用。

圖1 浮動(dòng)仿形去毛刺刀具裝置示意

2.2 加工原理說明

如圖1所示，螺旋槽刀桿8帶有均勻分布的3條螺旋槽，通過置于夾持刀柄中的鋼珠進(jìn)行軸向定位滑動(dòng)，在刀具進(jìn)行正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于螺旋線也是正向螺旋，因此刀具旋轉(zhuǎn)慣性會(huì)將螺旋槽刀桿反向向下滑動(dòng)，最終通過彈簧底座螺塞限位固定位置，并通過彈簧施加在彈簧底座螺塞上的彈力在加工過程中形成作用于倒角刀具上的軸向力，從而對(duì)零件施加向下的軸向力。

同時(shí)，前后端密封圈7和12，分別置于夾持刀柄1的環(huán)槽中，以及彈簧底座螺塞6的環(huán)槽中，在刀具加注內(nèi)部切削液時(shí)，與夾持刀柄相互配合，從而起到切削液密封作用，防止切削液從刀桿和夾持刀柄滑動(dòng)處流出。

彈簧調(diào)節(jié)螺塞4在通過調(diào)節(jié)工具調(diào)節(jié)后可進(jìn)行行程固定鎖死，防止彈簧5行程變動(dòng)。此調(diào)節(jié)力可根據(jù)實(shí)際加工工件進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。

該裝置主要用于工件平面內(nèi)外輪廓倒角加工、圓柱體交叉孔內(nèi)輪廓倒角加工以及異形曲面輪廓的倒角加工等。由于螺旋刀桿可以軸向浮動(dòng)，浮動(dòng)范圍為20mm，且具有軸向加工力調(diào)節(jié)功能，因此，只要同批次零件的輪廓誤差在10mm以內(nèi)，對(duì)零件輪廓進(jìn)行首次編程后（見圖2），即可通用。此刀具可方便裝夾于各式刀柄中，達(dá)到批量零件仿形倒角去毛刺的目的，提高零件倒角加工的效率以及通用性。

圖2 零件輪廓編程示意

3 加工過程分析

3.1 參數(shù)設(shè)定

在自動(dòng)仿形輪廓加工中，以零件輪廓誤差0～10mm、需要倒角深度D為例。如圖3所示，此時(shí)對(duì)刀總長為A，刀頭長度為B，螺旋行程為C。

圖3 刀具示意

刀具加工高度

輪廓偏移距離為此位置的刀具半徑R減去所需加工的倒角距離D。

最終，刀具加工輪廓偏移

3.2 受力分析

加工時(shí)浮動(dòng)刀頭切削點(diǎn)線速度

式中，D為刀桿直徑（m m）；n為刀具轉(zhuǎn)速（r/min）。

切削點(diǎn)向心力

式中，m為刀桿質(zhì)量（k g）；r為刀桿半徑（mm）；θ為螺旋角度。

當(dāng)浮力彈簧發(fā)生彈性變形時(shí)，由胡克定力可知，彈簧彈力F與彈簧伸長量X成正比，公式為

式中，k為彈簧的彈力系數(shù)。

因此，浮動(dòng)加工裝置作用在零件輪廓上的力為

由此可以分析出，加工過程中，在刀具轉(zhuǎn)速以及進(jìn)給速度恒定的情況下，線性輪廓變小時(shí)，刀頭下伸，接觸點(diǎn)刀具直徑變大，vc會(huì)同比增加，因此F0也會(huì)相應(yīng)增大。同時(shí)彈簧壓縮量X變小，因此彈簧彈力F相應(yīng)變小。由此可以得出結(jié)論，刀具最終作用于零件輪廓的受力值基本不變。

4 加工狀態(tài)分析

4.1 零件某段輪廓位置沒有誤差

當(dāng)零件某段輪廓位置沒有誤差時(shí)，刀具會(huì)以給定的輪廓線方向正常進(jìn)行加工。刀具沒有軸向方向的移動(dòng)，切削狀態(tài)穩(wěn)定無變化。

4.2 零件某段輪廓位置偏大

當(dāng)零件某段輪廓位置偏大時(shí)，刀具前進(jìn)方向仍為給定的輪廓線方向，而深度進(jìn)給方向由于輪廓位置偏大對(duì)刀具產(chǎn)生向上的推力，因此刀具會(huì)進(jìn)行軸向向上隨行浮動(dòng)。同時(shí)由于旋轉(zhuǎn)速度不變，刀具主要軸向下切力也會(huì)保持不變，但在浮動(dòng)上行過程中，刀具實(shí)際加工直徑變小，切削速度下降，與此同時(shí)刀具后端微調(diào)彈簧的彈力也會(huì)因行程減小而增加，兩相作用下，共同保證倒角深度不會(huì)改變。

4.3 零件某段輪廓位置偏小

當(dāng)零件某段輪廓位置偏小時(shí)，刀具前進(jìn)方向仍為給定的輪廓線方向，而深度進(jìn)給方向由于輪廓位置偏小，彈簧會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生向下的推力，因此刀具會(huì)進(jìn)行軸向向下隨行浮動(dòng)。此時(shí)刀具由正常加工進(jìn)給變?yōu)檩S向向下隨行浮動(dòng)，同時(shí)由于旋轉(zhuǎn)速度不變，刀具主要軸向下切力也會(huì)保持不變，但在浮動(dòng)下行過程中，刀具實(shí)際加工直徑變大，切削速度提高，與此同時(shí)刀具后端微調(diào)彈簧的彈力也會(huì)因行程增大而減小，兩相作用下，共同保證倒角深度不會(huì)改變。

通過研究鋁合金材料切削特性、切削參數(shù)，以及不同轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度對(duì)去除毛刺深度的影響，總結(jié)出鋁合金材料去除毛刺、飛邊切削參數(shù)表（見表1）。在鋁合金材料切削測試中，使用直徑為20mm、角度為45°的高速鋼加工刀頭，分別試驗(yàn)角度30°～60°的螺旋刀桿，刀具轉(zhuǎn)速由2000r/min提升至4500r/min時(shí)，通過不同進(jìn)給速度測試零件輪廓加工去除情況。

通過測試得出，刀具轉(zhuǎn)速為2000～3500 r/min的情況下對(duì)去除毛刺質(zhì)量效果影響最大，刀桿螺旋角度對(duì)去除毛刺質(zhì)量影響其次，不同進(jìn)給速度對(duì)毛刺去除深度影響較大。進(jìn)給速度越快，去除毛刺深度越小，轉(zhuǎn)速越高，表面質(zhì)量越好。最終確定了鋁合金缸蓋、缸體表面內(nèi)外輪廓去除的合理切削參數(shù)，見表2。

表2 合理切削參數(shù)

5 加工案例

以發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋加工為例，在如圖4所示的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體中，上表面平面輪廓較多，其中包括外形輪廓、水道孔內(nèi)輪廓以及各種油道孔口輪廓等，需要將外輪廓全部毛刺均勻去除，去除量為0.5mm，首批零件共計(jì)68件。具體實(shí)施方案如下。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體

1）裝夾找正工件，裝備浮動(dòng)去毛刺裝置，同時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上表面設(shè)定為坐標(biāo)系Z值零點(diǎn)。

2）缸體平面輪廓誤差在10mm以內(nèi)，同時(shí)需要倒角深度為0.5mm，此時(shí)刀具總長為242mm，刀頭長度為18mm，刀桿螺旋行程為20mm，則刀具長度尺寸H設(shè)定為：H=242.3-（18+20）/2=223.3（mm）。

3）輪廓偏移距離為此位置的刀具半徑R減去所需加工的倒角距離，因此刀具加工輪廓偏移尺寸為：D0=9.0－0.5=8.5（mm）。

4）打開編程軟件POWERMILL，利用參數(shù)線指令將缸體上表面二維輪廓線進(jìn)行全部抓取，篩選出需要加工去除毛刺的輪廓線，作為后續(xù)加工軌跡線。

5）采用軟件POWERMILL中的曲線加工策略，設(shè)定偏移量8.5mm，設(shè)定轉(zhuǎn)速3500r/min，進(jìn)給速度700mm/min，最后生成仿形加工程序，輸出加工代碼進(jìn)行加工。

加工細(xì)節(jié)對(duì)比效果如圖5所示，未加工前，表面粗糙，不均勻，加工后，表面光滑，去除均勻。此時(shí)缸體上表面內(nèi)、外輪廓均光滑無毛刺，并且去除深度均在0.5mm，總加工時(shí)間為1.5min。

圖5 加工細(xì)節(jié)對(duì)比

與人工去除毛刺效果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表3。

表3 不同去毛刺方式加工結(jié)果對(duì)比

通過測試，掌握了鋁合金材料毛刺去除切削參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋毛刺去除數(shù)控自動(dòng)化，有效解決了去除毛刺余量不均勻問題，使發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋上表面質(zhì)量得到了極大提升，去除余量非常均勻并可控，去除效率提升80%以上。

6 結(jié)束語

此技術(shù)解決了發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋加工后產(chǎn)生的毛刺和飛邊只能手持刮刀或手持電動(dòng)工具方式處理的方式，實(shí)現(xiàn)了批量零件的毛刺飛邊快速加工處理，在降低勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)節(jié)省大量試制加工時(shí)間，也解決了不規(guī)則形狀輪廓飛邊毛刺無法數(shù)控編程加工的難題，保證了毛刺去除余量均勻可靠，提升了零件表面質(zhì)量。此方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品研發(fā)以及后續(xù)其他零件的試制研發(fā)具有重要意義。