數(shù)控銑削高效切斷技巧探究

金 鑫 金潤(rùn)一

(①航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441003；②重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400065)

國(guó)內(nèi)機(jī)械加工行業(yè)的數(shù)控銑削設(shè)備，經(jīng)濟(jì)型機(jī)床占比達(dá)70%以上，其中又分：高速切削機(jī)床，大扭矩高剛度機(jī)床，普通通用機(jī)床。

通常現(xiàn)代全通輪廓切料方案有：電加工線(xiàn)切割、激光切割、高壓水刀切割和等離子切割等等，這里以數(shù)控銑削加工貫通輪廓粗加工去料方案為典型情況進(jìn)行分析。

1 現(xiàn)狀

數(shù)控銑削加工的過(guò)程都是以去料方式完成的，有粗加工、半精加工、精加工、超精加工。實(shí)際工作中，任何一種加工方式均需要考慮工藝精度、切削時(shí)間等，最后都落實(shí)到加工成本上。

粗加工階段在整個(gè)切削時(shí)間中通常占比有40%～70%，在整個(gè)切削余量中通常占比90%以上，除了占用設(shè)備、人力、資料外，還有刀具、方法等非常直觀的因素需要關(guān)注。

案例：某型殼體工件以多層回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)為主，如圖1所示，工藝過(guò)程中兩端分別由φ135 mm×22 mm、φ105×17 mm加工至□73±0.1 mm和□71±0.1 mm。然而，與方體相接的幾何體是不同位置形狀的耳片，形成非貫通的臺(tái)階，無(wú)法采用電加工線(xiàn)切割方式，必須數(shù)控銑削加工完成。

問(wèn)題就此出現(xiàn)：如圖1所示，在加工φ135 mm×22 mm至□73±0.1 mm的過(guò)程中，采取沿著工件輪廓深度方向分層切削方式割斷余料，發(fā)生了余料強(qiáng)烈振動(dòng)，引起工件共震，繼而旋轉(zhuǎn)過(guò)切，刀具也隨之偏擺折斷；后續(xù)反復(fù)調(diào)試降低切削參數(shù)，以及全覆蓋去料等方法，均不能避免切割過(guò)程中余料、工件、刀具在輪廓區(qū)域內(nèi)的共振，且加工周期較長(zhǎng)。

2 技術(shù)調(diào)查

調(diào)查咨詢(xún)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)得知，通常數(shù)控銑削加工的全通輪廓粗加工去料方案有：全切去料方式，緊固切斷方式，全輪廓切斷方式。下面具體舉例說(shuō)明幾種切斷去料方式。

2.1 全切去料方式

即把工件不同部位的多余料全部以切削方式形成切屑去除。這種方式無(wú)論對(duì)于內(nèi)腔、外形，還是臺(tái)階，均可以進(jìn)行，以外形為例見(jiàn)圖2。圖中左圖為粗加工的毛坯狀態(tài)，右圖是精加工的一批工件，如此大量的余料全部數(shù)銑加工去除。

2.2 緊固切斷方式

即把工件的多余料以切削方式切割分開(kāi)去除。主要用于貫通工件的余料去除，以外形為例見(jiàn)圖3。圖中周邊余料均壓板壓持緊固，依據(jù)板料余量分布，分兩段銑削切割分離。

2.3 全輪廓切斷方式

是在工件整體定位可靠、緊固穩(wěn)定的情況下，對(duì)于貫通實(shí)體的余料進(jìn)行全輪廓銑削切割一次完成，以外形為例見(jiàn)圖4。圖中以左圖方框所示刀柄夾簧方法，夾持定位右圖工件的桿狀體部，一次去除傘狀輪廓，工件得到T字形手柄。

3 優(yōu)劣分析

上述3種全通輪廓粗加工去料方案有其適合的場(chǎng)合、優(yōu)點(diǎn)，不同的情況下優(yōu)點(diǎn)也變成不利條件，見(jiàn)表1。

表1 輪廓粗加工去料方案對(duì)照表

切斷方式適合條件優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)不利條件全切去料方式非貫通余料,內(nèi)腔、臺(tái)階外形等切深分層ap覆蓋,非切斷層切削穩(wěn)定走刀接近切斷層、切斷區(qū)域時(shí)產(chǎn)生共振,加工周期長(zhǎng)一倍以上,表面粗糙度Ra>6.3 μm切削走刀時(shí)間較長(zhǎng),刀具磨損快;切斷層走刀時(shí),刀具和余層料塊共振,易彈別刀崩刀緊固切斷方式平整板類(lèi)零件,余料貫通,面積大,臺(tái)階高度穩(wěn)定全過(guò)程分層ap覆蓋,切削穩(wěn)定,表面質(zhì)量好增加緊固機(jī)構(gòu),操作繁瑣,影響加工效率余料大,緊固夾具須靠近走刀路線(xiàn),以避免切削振動(dòng);若有臺(tái)階遮擋時(shí)不方便夾具緊固全輪廓切斷方式整體輪廓小,懸伸不大非切斷層切削穩(wěn)定,加工效率高走刀切斷層、切斷區(qū)域產(chǎn)生共振,表面質(zhì)量一般余料雖小,切削中共振同樣發(fā)生,切斷層走刀振動(dòng)使刀具磨損快,易被余料夾擊折斷

4 方案分析

由表1可以得出，已有的輪廓粗加工去料方案都有一些較為接近的不利現(xiàn)象和條件：①加工周期長(zhǎng)。②走刀接近切斷層、切斷區(qū)域產(chǎn)生共振。③緊固機(jī)構(gòu)，操作繁瑣，影響加工效率。④若有臺(tái)階遮擋時(shí)，余料不方便夾具緊固。⑤余料即便較小，切削中共振同樣發(fā)生，振動(dòng)使刀具磨損快。

既然上述輪廓粗加工去料方案在目前情況下基本滿(mǎn)足生產(chǎn)加工需要，那么技術(shù)細(xì)節(jié)必然有其可取之處。經(jīng)過(guò)認(rèn)真仔細(xì)地分析對(duì)比，總體獲得以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)在輪廓線(xiàn)走刀時(shí)全面采用G41順銑方法切削，充分利用切削力使屑料遠(yuǎn)離刀具的作用。

(2)全切去料是每層由遠(yuǎn)離輪廓向輪廓分步距覆蓋靠近，深度由上而下層層剝離，料體切削過(guò)程穩(wěn)定。

(3)無(wú)論緊固切斷還是全輪廓切斷，都具有一個(gè)共同現(xiàn)象，即余料均被切為兩三段；或有緊固換壓，或余料局部寬度小于刀具直徑，或料塊較小，便于拆卸或散落飛離加工區(qū)。

(4)余料被夾具緊固，切削中穩(wěn)定。

目前，類(lèi)似型面的工件種類(lèi)較多，完善工件質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低刀具、夾具成本，都是必須要考慮的問(wèn)題。高效切斷是很有必要解決的一個(gè)課題。減小切斷層的切削振動(dòng)，避免或杜絕刀具崩裂折斷，是解決問(wèn)題的重點(diǎn)突破口。

5 探索創(chuàng)新

吸取已有的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，不斷改進(jìn)發(fā)展，還是文中現(xiàn)狀案例中某型殼體作為典型實(shí)驗(yàn)對(duì)象，余料不緊固的情況下進(jìn)行了一些試驗(yàn)探索，在選刀、走刀路線(xiàn)、切削用量三要素、余料分段方法等方面取得了較好的效果。“自由分段仿形切斷方式”由此誕生了。

5.1 選刀

選用刀具以粗加工與精加工分清銑刀的類(lèi)別為第一原則，粗切刀以HSS-Co或WC-Co類(lèi)合金材質(zhì)為首選，確保足夠的韌性和鋒利，螺旋角β在25°～30°。低螺旋角比較適合銑削溝漕，螺旋角適中，切削扭距不大，軸向拉力亦不大。如果使用螺旋角較大之立銑刀，刀刃比較容易崩裂，軸向拉力很大，余料受切削復(fù)合力較大而振動(dòng)幅度加大，因此刀具壽命短，如圖5所示。

5.2 走刀路線(xiàn)

在深度上分層發(fā)揮順銑方法的優(yōu)勢(shì)，切削力推移被切余料遠(yuǎn)離加工區(qū)，而這里采用沿著工件輪廓線(xiàn)偏移刀補(bǔ)，預(yù)留0.15～0.3 mm精切余量，且每層先走一刀，開(kāi)出刀路，避免深度各層次的刀路寬度等寬，后續(xù)切削走刀中排屑不暢，因受切削力料塊振動(dòng)夾刀。如圖6所示。

5.3 切削用量三要素

三要素的選擇就比較需要“實(shí)用科學(xué)”了。前文中提到的切斷層即是料塊從工件上分離的最后一層，這一層的存在不是無(wú)關(guān)緊要的，對(duì)于高效切斷余料而言起到了必不可少的作用。在非切斷層的各以上分層可以根據(jù)工藝加工系統(tǒng)實(shí)際情況以質(zhì)量、效率平衡為原則自由選擇切削用量三要素，而切斷層必須以可靠支撐余料為基礎(chǔ)，同時(shí)兼顧單層次切削的合適用量：

(1)有色金屬如鋁合金、銅合金，以φ12 mm銑刀為例，刀具轉(zhuǎn)速1 000～1 500 r/min,切削深度ap≥2 mm，走刀速度Vf=200～380 mm/min。

(2)黑色金屬如高碳鋼、合金鋼、不銹鋼，以φ12 mm銑刀為例，刀具轉(zhuǎn)速700～1 200 r/min,切削深度ap≥1.5 mm，走刀速度Vf=100～180 mm/min。

5.4 余料分段

徹底改變圖7b所示的原有方式，對(duì)準(zhǔn)備去除的料塊進(jìn)行合理的分段，可以減少振動(dòng)的可能性，減小振動(dòng)體的質(zhì)量能量，還可以引導(dǎo)振動(dòng)源盡量遠(yuǎn)離工件輪廓，從而確保加工精度。對(duì)于案例中某型殼體工件，如圖7a所示，利用輪廓外形特點(diǎn)，可以把余料分為四段，以圓周360°為標(biāo)準(zhǔn)，每90°一段分段切斷，并引導(dǎo)切斷點(diǎn)離開(kāi)工件，切下來(lái)的料塊散落飛離加工區(qū)。

6 結(jié)語(yǔ)

這種方法實(shí)用性非常強(qiáng)，可以用于相似類(lèi)型的零件型面加工中。采用此方式后，該型殼體加工時(shí)間由原來(lái)的47 min/件降低為15 min/件，每年數(shù)百件的批生產(chǎn)周期大幅縮短近三分之一。在后續(xù)新型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)加工中，又有肩帶殼體、“9”型機(jī)構(gòu)殼體、尾桿上段等零件運(yùn)用這種方法，同樣取得良好的效果。沒(méi)有最好只有更好，此類(lèi)加工方式本身是開(kāi)放的，筆者也抱著開(kāi)放的態(tài)度，希望大家有不同的經(jīng)歷、更好的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，可以交流探討，能夠融合出更加完善的切削方式，取得質(zhì)量、效率、成本更好的平衡。