微小窄槽的數(shù)控車削加工技術(shù)研究

宋佳杰 朱 剛 陳 路

（上海無線電設備研究所，上海 200090）

環(huán)形溝槽特征是回轉(zhuǎn)類零件常見的特征，根據(jù)槽的數(shù)量可分為單槽和多槽，單槽采用G01 切削即可；對于多槽的加工，常常采用切槽循環(huán)指令G75或子程序編制加工程序[1]。根據(jù)槽的寬度，可分為寬槽和窄槽。寬槽無法一次車出，往往采用多次排切的方法加工[2]，而窄槽可根據(jù)槽寬使用等寬槽刀一次車出。而槽寬在0.1 mm 以下的稱為微小窄槽，受制于刀具制造商的制造能力，微小窄槽通常難以用標準槽刀車削，而密集分布的微小窄槽加工難度更高，給生產(chǎn)加工造成了很大的困難。

陳誠等人通過工藝分析和正交試驗，研究了寬2.4 mm的環(huán)形密封槽的高效車削加工方法[3]；王仁偉等人通過建立有限元模型，對環(huán)槽車削加工工藝參數(shù)與刀具磨損速度的關(guān)系進行了研究，并優(yōu)化了加工參數(shù)[4]；沈國祥通過加工工藝分析，研究了寬槽和常規(guī)窄槽的數(shù)控車削方法[5]；吳衛(wèi)通過工藝分析，研究了高精度的多道環(huán)形槽零件車削加工工藝方法及測量方法[6]；凌平等人通過工裝、刀具材料及參數(shù)、切削余量和工藝流程等方面的分析，提出并研究了減少切削加工中變形和振動的方法[7]。目前針對環(huán)槽的加工技術(shù)研究多為常規(guī)寬度的槽型，對于槽寬在0.1 mm 以下的微小窄槽則研究較少。本文將以內(nèi)型芯零件為例，探討密集微小窄槽的加工方法。

1 內(nèi)型芯零件簡介

內(nèi)型芯是某武器型號中天線的重要零件，其材料為鋁合金2A12-H112，結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示，設計圖如圖2 所示。整個工件由頭部、中間錐度部分及尾端組成。其頭部具有?0.54±0.01 mm的細小直徑；中間部分為圓錐形，小端直徑為1.35 mm，大端直徑為6.3 mm；工件的尾端是直徑6-0.01×8 mm的圓柱，包含1 處M2-6H 螺紋孔。其最典型的特征是：外錐面上分布有103 處密集排列的微小窄槽，每處槽寬均為0.08±0.01 mm，槽深0.16 mm，相鄰兩槽間距0.2 mm。微小窄槽的放大圖如圖3 所示。

圖1 內(nèi)型芯零件模型圖

圖2 內(nèi)型芯設計圖

圖3 窄槽局部放大圖

2 加工工藝性及難點分析

2.1 車削振動和錐度

工件的頭部細小圓柱部分直徑為0.54±0.01 mm，長度為5.02 mm，長徑比接近10，由于其直徑太小，且在加工中無法使用輔助支撐，所以裝夾剛性和切削剛性較差，易造成車削振動和錐度。

2.2 無微小窄槽車削刀具

工件錐度圓周上均勻分布了103 處寬度為0.08 mm的等深度微小窄槽。針對窄槽特征，常規(guī)的加工方法是選用與窄槽寬度等寬的切槽刀，將窄槽一次性加工完成。因此，加工0.08 mm 窄槽的刀具寬度最大只能是0.08 mm。而刀具市場上常見的切槽刀寬度最小是0.5 mm，無法滿足該工件的加工。刀具問題成為了加工的最大瓶頸。

2.3 表面質(zhì)量難以保證

工件表面粗糙度要求Ra0.8 μm，而窄槽的表面粗糙度保證是一個難點。由于窄槽刀具尺寸極小，幾乎無副偏角，副刀刃與工件窄槽接近線接觸，切削過程中稍有排屑不暢，就會產(chǎn)生坑刀現(xiàn)象。因此對于這種情況下的加工，冷卻不是首要問題，影響更大的是潤滑和排屑問題。而水基冷卻液并不能取得很好的切削效果，易造成表面粗糙度較大。此外，由于微小窄槽的寬度僅為0.08 mm，常規(guī)刀具難以將車削毛刺去除，所以槽內(nèi)毛刺的去除也是一個難點，毛刺將嚴重影響外錐面的表面粗糙度。

2.4 傳統(tǒng)編程效率低下

工件上的微小窄槽共有103 處，選擇所有的窄槽，進行計算機輔助編程工作量較大，生成的程序繁瑣，程序檢查困難，為提高編程及加工效率，需采用更高效的編程方法。

3 工藝方案和解決措施

3.1 工藝方案設計

工藝方案應首先保證加工頭部細小直徑時無錐度和振動。工件的最大直徑處為6.3 mm，為避免加工過程中產(chǎn)生振動，選擇了?10 mm的圓棒進行加工，以提升工件剛性。對于頭部的?0.54 mm 細長圓柱部分的加工，先將材料輪廓粗加工成型，頭部粗加工成直徑5 mm×5 mm的圓柱部分，以去除材料中的部分應力（如圖4 所示），后續(xù)再精加工。具體工藝流程如圖5 所示，首先進行毛坯粗加工，預留夾持工藝塊，再加工頭部細小直徑，然后加工錐度、割槽及尾部外圓，割斷后加工尾部端面及內(nèi)螺紋。

圖4 毛坯粗加工輪廓形狀

圖5 工藝流程圖

走刀路徑方面，?0.54 mm 細長外圓加工采用了逐段分段加工的進給路線，每次加工長度1.7 mm，有效避免了工件在加工中產(chǎn)生錐度。外圓加工選用了HP 大前角的KC5410 涂層刀具，該涂層與鋁合金親和力小，大大減小了徑向切削力。粗加工刀片刀尖圓弧半徑為0.2 mm，精加工刀片刀尖圓弧半徑為0.1 mm。

3.2 切槽刀具的設計與制作

微小窄槽的車削加工切削力較大，且刀頭呈狹長型，易產(chǎn)生切削振動，因此刀具設計的首要原則是保證刀具的剛性。由于切削刃處于半封閉狀態(tài)，切削熱量不易傳散出去，集中在刀具上，加劇了刀具磨損[8]，且刀具受到槽兩側(cè)面的摩擦阻力較大，所以在設計上要盡可能地減小摩擦阻力，降低切削熱量。

3.2.1 切槽刀具類型選擇

內(nèi)型芯工件每一處槽寬均為0.08±0.01 mm，材質(zhì)為硬鋁2A12，比較適合采用硬質(zhì)合金切槽刀進行加工，由于待加工的槽均分布在外圓錐面上，所以切槽刀宜采用單面斜形刀具，如圖6 所示。

圖6 切槽刀結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.2 切槽刀具材料選擇

相比于高速鋼，硬質(zhì)合金不僅硬度更高，還具有更好的耐磨性和熱硬性，可減小因刃口磨損造成的表面粗糙。在內(nèi)型芯切槽加工時，須連續(xù)完成103 處槽的加工，要求刀具具備較好的耐磨性和使用壽命，因此切槽刀具選擇硬質(zhì)合金材料制作。

3.2.3 切槽刀具主偏角設計

切槽刀主要用于外圓錐面上的槽加工，而外圓錐面母線與軸線的夾角為6.8°，槽底部與外圓錐母線平行，并且切槽刀寬度只有0.08 mm，應盡量減小車削時的軸向分力，以避免刀具振動或折斷。所以主偏角應為83.2°，保證切槽時主切削刃與母線平行，減小刀具所承受的切削力。

3.2.4 切槽刀具前角、副偏角及主后角設計

切槽刀應在刀具結(jié)構(gòu)強度允許的情況下，選擇盡量大的前角，前角增大有利于減小工件塑性變形，降低切削溫度。副偏角越小，刀頭強度越高，但是副偏角太小，會使刀刃與工件表面接觸過大，受到槽兩側(cè)面較大的摩擦阻力，導致表面粗糙度增加和刀具損壞。主后角越大，刀刃越鋒利，越有利于切削，但是刀刃部分的強度會受到影響；主后角過小，則會導致刀具與工件摩擦加劇。

在微小窄槽加工中，刀具本身尺寸較小，強度和剛性都較低，設計角度時應以保證刀具強度為主。根據(jù)前期的切削試驗確定幾何角度的大概范圍，前角應在2°～8°，副偏角應在0°～1°，主后角應在7°～13°。為進一步找到合適準確的副偏角、前角和主后角組合，設計了三因素三水平試驗，使用正交表L9(33)進行正交試驗設計。因素A 為前角，3 種水平分別是3°(A1)、5°(A2)和7°(A3)；因素B 為副偏角，3種水平分別是0.3°(B1)、0.6°(B2)和0.9°(B3)；因素C為主后角，3種水平分別是8°(C1)、10°(C2)和12°(C3)。每種組合分別加工15 個相同規(guī)格的槽，投影記錄槽寬尺寸并計算標準差，試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 正交試驗數(shù)據(jù)

用Minitab 分析數(shù)據(jù)后，得到分析結(jié)果如表2所示，主效應圖如圖7 所示。

由表2和圖7 可知，從影響的顯著性來看，前角＞主后角＞副偏角，當A2、B1 與C3 組合時，切削試驗結(jié)果達到最優(yōu)水平，加工效果最穩(wěn)定。因此切槽刀設計采用前角為5°、主后角為12°和副偏角為0.3°的幾何角度。由于副偏角接近于0°，將導致切削熱量升高和表面粗糙度增大，可通過改善冷卻和潤滑條件來彌補這一缺陷。

表2 正交試驗分析結(jié)果

圖7 正交試驗主效應圖

3.2.5 分離式可換刀頭結(jié)構(gòu)設計

在前期的試驗中，選擇了YG8 硬質(zhì)合金圓棒材質(zhì)自制整體切槽刀加工，然而，在試切加工中，此類刀具極易折斷，且斷裂部位都在刀頭和刀桿結(jié)合部。通過原因分析，由于刀頭與刀桿結(jié)合部材料厚薄差異大，存在較大的加工應力，一旦出現(xiàn)排屑不暢，極易折斷刀具，從而無法連續(xù)完成103 處微小窄槽的加工。

為增加刀具使用壽命，設計了分離式可換刀頭結(jié)構(gòu)，如圖8 所示。選用KC730 涂層的硬質(zhì)合金刀片，通過螺釘固定在刀桿上，線切割輔助加工成型后，精磨至刃寬0.08 mm。此種分離式結(jié)構(gòu)，使刀片和刀桿的連接部位不再因應力而折斷，整體剛性顯著提高。

圖8 修磨完成的刀具局部放大圖

3.2.6 刀刃的磨削

根據(jù)刀刃磨削的要求，選擇了自銳性較好的RVD 金剛石的樹脂結(jié)合劑砂輪，粒度號為140/170。窄槽刀具在刃磨過程中使用公法線千分尺進行刀具寬度不間斷測量，并通過放大投影，逐步修正刀具寬度0.08 mm，同時修正刀頭和刀桿的垂直度。如圖9 所示為使用公法線千分尺進行刀具寬度測量，刃磨完成后刃口實際寬度為0.078 mm。圖10 為修磨完成的刀具頭部放大圖。

圖9 采用水基冷卻液加工后的工件(局部)

圖10 采用切削純油加工后的工件(局部)

3.3 表面質(zhì)量的改善措施

3.3.1 切削液的選用

由于窄槽刀具副切削刃與工件接近線接觸，前期切削試驗過程中稍有排屑不暢，就會產(chǎn)生坑刀現(xiàn)象，如圖11 所示。因此對于微小窄槽的加工，不僅要保證冷卻條件，更要兼顧潤滑和排屑問題。

圖11 內(nèi)型芯30 倍投影圖(局部)

工件材料為2A12 硬鋁合金，加工時，如果切削液的潤滑性和冷卻性不佳，會導致加工刀具出現(xiàn)粘刀，排屑性能差，容易折斷刀具。傳統(tǒng)的鋁合金精加工，使用煤油當作鋁合金潤滑液，但加工中容易產(chǎn)生燃爆并有異味，加工后還需要再次對切削工件進行清洗，不滿足加工要求。因此，為取得良好的潤滑性，采用了洛斯SS49 純切削油，該切削油屬于高性能中黏度礦物油，含有多量氯化物添加劑、活性硫及脂肪油，能有效地保護刀具，顯著改善工件表面質(zhì)量。同時，窄槽加工的過程中結(jié)合了壓縮空氣吹屑的方法，使窄槽側(cè)面的加工質(zhì)量明顯得到了提高，如圖12 所示，滿足了表面粗糙度Ra 0.8 μm的設計要求。

圖12 加工完成的內(nèi)型芯零件

3.3.2 槽口毛刺的去除

在車削加工后，窄槽的外角口處存在著微小毛刺，因空間受限，無法用刮刀或砂紙等常規(guī)工具去除毛刺。因此，對走刀路線進行了優(yōu)化，針對圓錐及微小窄槽部分按原尺寸再增加一次精加工，將槽口或槽內(nèi)的毛刺徹底去除。按此工藝方法加工出的工件外形和窄槽交匯處保持清角無毛刺（圖13 所示），加工完成的工件如圖14 所示。

圖13 分離式可換刀頭設計示意圖

圖14 公法線千分尺測量刀刃寬度

3.4 基于宏程序的微小窄槽切削加工編程

內(nèi)型芯中間部分的圓錐上均勻分布的103 處窄槽，如使用CAM的切槽編程，必須對所有的槽進行選擇，工作量較大，且程序字節(jié)量大而繁瑣，不方便進行程序檢查。為了提高微小窄槽加工的編程效率，本文采用了宏程序編程的方法。宏程序是采用變量組合方式形成的加工程序，可以給變量賦值，變量之間可以靈活地進行算術(shù)和邏輯運算、轉(zhuǎn)移和循環(huán)等控制[9-10]，程序簡潔、字節(jié)少，且便于對加工參數(shù)進行靈活調(diào)整和程序檢查。該方法大幅度提高了編程效率，比CAM的自動編程更具有優(yōu)越性。

微小窄槽的加工宏程序如下：

4 結(jié)語

本文針對內(nèi)型芯零件微小窄槽的車削加工難點進行了詳細分析，制定了合理的數(shù)控車加工工藝路線，設計并制作了可換刀頭結(jié)構(gòu)的專用切槽刀具，通過正交試驗確定了合適的刀具幾何角度。通過選擇合適的切削液和優(yōu)化去毛刺走刀路線，改善了切槽加工的表面質(zhì)量。同時，結(jié)合宏程序編程的方法，使用較為精簡的數(shù)控程序完成了該零件的加工。通過內(nèi)型芯零件的加工實踐和探索，初步研究了在圓錐形工件上加工密集分布的微小窄槽的方法，為今后在微小零件車削加工方面的研究積累了豐富的經(jīng)驗。