多要素綜合試件設計加工與刀具應用

■ 東北工業集團吉林東光奧威公司 （長春 130012） 劉振利

■ 長春科技學院汽車機械工程學院 （吉林 130600） 劉 剛 郭 墅

要素是構成零件幾何特征的點、線、面。不同形狀的基本幾何特征構成多樣化的零部件和產品。在數控加工領域，不同要素的加工是從業人員必須掌握的技能，更是加工復雜要素的基礎。在制造領域，機械類產品的加工都離不開數控刀具，掌握數控刀具的合理應用，在加工成本控制、提高生產效率方面至關重要。這里將介紹1個比較典型的綜合試件的加工方法和刀具的應用情況。

圖1

圖2

1. 試件的構成

該綜合件的實體造型使用的是CAXA實體設計和制造工程師軟件，為了較全面地體現各種要素加工特點和刀具的使用，在試件中設計有薄壁、異形、螺紋、曲面、型腔、凸臺、斜面和圓弧連接等許多特征。在造型過程中，使用了拉伸增料、除料、旋轉和掃描等功能。

試切件毛坯尺寸為120mm×80mm×40mm，件1采用2A12材料加工（見圖1），件2采用45鋼材料加工（見圖2）。

（1）件1的設計：為了在加工時體現面銑刀的使用，將試件總體厚度由毛坯尺寸厚度40mm降低到39mm，由面銑刀來銑削完成。在正面，主題設計要素為圓弧連接，一個多曲線連接構成類似葫蘆形輪廓，上面有一個50mm×30mm的橢圓，橢圓上表面為曲面，橢圓中間φ20mm的孔壁內有3條均勻分布的螺旋槽（見圖3）。在類似橢圓的異形輪廓上有兩個成形槽孔（見圖4）。螺旋槽、成形槽孔將使用成形刀具完成加工。

件1的背面以斜線、圓孔、薄壁和螺紋設計為主，在表面上留有刻字和LOGO的位置。件1工藝尺寸如圖5所示。

（2）件2的設計：件2采用了與件1相配合的結構，具有件1的特點，在正反兩面以型腔、輪廓和大孔為主，同時增加了攻螺紋和鉸孔加工的元素。工藝尺寸如圖6所示。

圖3 局部剖切放大

圖4 局部剖切放大

圖5 件1工藝圖

圖6 件2工藝圖

圖7

圖8

2. 工藝路線

加工路線的選擇關系到零件的加工質量和表面粗糙度，路徑的優劣會影響到加工效率，并且加工路徑的選擇也會影響到刀具的使用壽命。加工路線的安排一般遵照先面后孔，先粗后精，先主后次的原則。銑削走刀路線一般采用順銑的原則，這樣可以保證加工表面硬化小，形成的切屑由厚變薄，減少刀具摩擦，提高刀具使用壽命。

銑削大平面時，銑削寬度選擇刀具直徑的70%～80%，切入工件時采用圓弧切入，刀具盡量不要離開表面，保證刀具連續切削，平面有孔或槽時一般安排在銑平面后，這樣可以避免斷續切削對刀具刃口的沖擊。減少停頓和振動。通過對試切件圖樣的分析，分別確定了下面的加工路線。

3. 件1加工路線

（1）用平口鉗夾緊工件，保證上表面加工的深度。件1為鋁質材料，為了不夾傷工件表面最好墊上薄銅皮。使用φ40mm方肩立銑刀銑削平面保證39mm尺寸，走刀路線如圖7所示。

（2）粗加工異形凸臺、橢圓和葫蘆形外輪廓：刀具使用φ20mm方肩立銑刀。高速機床應以小切深、快進給進行切削，不但能快速去除余量，也能提高刀具的壽命，如圖8所示。

（3）φ10mm的整體合金立銑刀完成異形凸臺、橢圓和葫蘆形外輪廓精加工，保證工藝所要求的尺寸。

（4）鉆φ20+0.03+0mm底孔，鉆成形槽孔φ（21.5±0.15）mm的底孔：φ20+0.03+0mm孔的加工可以采用鉆→擴→鉸的工藝完成，如果機床精度較好，可以采用鉆孔→銑孔的方式以提高效率，并可以對孔徑進行控制，有利于孔軸的直線度。銑孔采用螺旋下刀銑削方式，孔壁沒有進刀痕。

（5）銑兩個φ（21.5 ±0.15）mm成形槽孔：這種槽孔的加工一般采用的是鉆底孔——成形扁鉆加工φ（18±0.215）mm、φ19.2+0.2+0mm等臺階底孔——槽刀銑削φ（21.5 ±0.15）mm，在這里我們采用鉆底孔——成形槽刀銑削的加工方式加工，這樣可以減少中間成形扁鉆的加工工步，也可以避免在修改程序時，由于修改錯誤造成φ（21.5 ±0.15）mm與φ（18±0.215）mm、φ19.2+0.2+0mm等臺階孔不同心的問題。就是說可以鉆完底孔后，用成形的槽銑刀直接把所用的尺寸全部加工出來，提高效率，節省了刀具費用，保證了加工準確性（所用刀具見圖9）。

（6）銑3個螺旋槽：該螺旋槽常見于某汽車零部件的主孔內加工，孔一般比較深，在側壁上加工螺旋槽的刀具較長，容易產生振紋，通過改變成形刀具的角度和形狀后，能夠銑削出較光滑的表面，滿足技術要求，加工時可編出一個加工程序，通過坐標旋轉完成另外兩條螺旋線（所用刀具見圖10）。

圖9

圖10

圖11

（7）銑橢圓上表面的圓弧面：使用φ8.0mm的球刀完成加工。為保證球面的光滑，刀具切削刃要鋒利，高轉速，步距取得要盡量小些，精加工一般小于0.05mm效果會好些。

（8）倒角：倒角刀完成工藝上倒角加工要求。注意倒角時既要保證倒角光滑，又要避免振紋的產生。

（9）卸下工件，去毛刺，翻轉加工另一面。

（10）粗銑四邊形和外輪廓：使用φ40mm方肩立銑刀銑削平面保證尺寸。注意銑削路線的安排和進刀方式的選擇（見圖11）。

（11）粗銑四邊形內腔輪廓：使用φ10mm整體合金立銑刀，在加工正面時已經加工出四邊形中間的大孔，進刀可以采用垂直進刀方式。可以減少加工時間。

（12）精加工：使用φ10mm整體合金立銑刀完成對四邊形內外輪廓和外形輪廓的精加工。

（13）銑M24×1.5mm螺紋：采用螺紋銑刀銑削螺紋。

（14）刻字和LOGO的加工，使用刻字刀具完成所要求的刻字內容的加工。因為刀很小，采用高轉速、小切深加工，注意軸向進給速度不要過大（見圖12）。

（15）倒角：倒角刀完成工藝上倒角加工要求。

4. 件2工藝路線

件2和件1具有類似的形狀，加工工藝的的安排大體相同，同樣要注意走刀路徑的安排和進刀方式的選擇。該工件為45鋼件，刀具應該使用YT類，也就是P類的刀具或刀片。切削參數的選擇，在粗加工時應以刀具耐用、快速去除余量為主。精加工時以提高表面粗糙度質量為主，轉速盡量高些。

正面加工路線：如表1所示，在表中我們可以看到工步1和工步3增加了鉆底孔工序，是為了在銑異型輪廓時便于垂直進刀，同時在背面加工φ20mm孔時，也要預鉆出底孔。這樣在銑削輪廓進刀時可減少銑刀的磨損，從刀具成本上考慮比較有利。

背面加工路線如表2所示，半凹槽輪廓側壁具有10°的斜面，側壁底邊為圓弧連接。該輪廓加工用φ20mm刀具開粗后，φ8r4mm球刀進行精加工。為保證表面粗糙度步距不宜過大，φ8mm孔采用鉆→擴鉸完成加工。

所使用的刀具情況如表3所示。

表1 件2正面

表2 件2背面

表3 刀具使用情況

5. 結語

以上論述就是該綜合試件的切削加工、工藝安排和刀具使用情況。金屬加工技術需要多種基礎知識來支撐，刀具的使用需要豐富的理論知識和實踐經驗的積累。不同的刀具、不同的加工材料都有相應的切削參數范圍。掌握合理的切削原理、刀具結構和刀具材料在延長刀具使用壽命、降低生產成本上會有很大的幫助，只有那樣才能加工出更加精確、更加理想的產品。

圖12

參考文獻：

[1] 金屬加工雜志社，哈爾濱理工大學. 數控刀具選用指南[M]. 北京：機械工業出版社，2014.

[2] 楊叔子. 機械加工工藝師手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2008.

[3] 陸劍中，孫家寧. 金屬切削原理與刀具[M]. 5版. 北京：機械工業出版社，2011.