一種螺旋式浮動倒角刀具的開發與應用

齊光輝，王樂，董樂，王智，郭華衛

中國第一汽車股份有限公司 吉林長春 130011

1 序言

在開發發動機新產品零件后，尤其是發動機缸體、缸蓋等多面殼體會出現毛刺、飛邊現象，這就需要對其進行徹底清理以保證后續正常裝配使用。同時，由于工件毛坯輪廓尺寸不統一，或是異形曲面輪廓高低起伏不平，從而無法采用數控編程對工件輪廓進行統一加工。遇到這些情況時通常采用手工處理，主要包括手持刮刀處理以及手持電動磨削倒角工具等處理方法。這些方法工作強度大、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深淺不一的狀況，對零件表面質量造成影響。因此，如何快速解決零件加工后表面輪廓產生的飛邊、毛刺，以及保證零件毛刺去除余量均勻，提升零件表面質量等關鍵問題，對發動機新產品研發具有重要意義[3]。

為解決上述問題，本項目提供一種螺旋式浮動仿形去毛刺裝置。本裝置采用數控編程，可自動跟隨零件輪廓進行倒角，其根據加工過程中切削力的變化可以自動追蹤輪廓線偏差進行浮動伸縮，從而達到自動仿形倒角的目的，提升產品質量，降低勞動強度。

2 技術方案

2.1 浮動仿形去毛刺刀具裝置的組成

浮動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，并在刀桿上設置均勻分布的3條螺旋槽，用于刀具旋轉加工時，可以使刀桿在軸向自由螺旋升降，從而達到刀具浮動加工的效果。⑤前端密封圈，在刀具加注內部切削液時，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處流出。⑥彈簧底座螺塞，通過螺紋聯接螺旋槽刀桿8，并利用凸臺位置固定彈簧方向，防止彈簧左右竄動。⑦彈簧，置于夾持刀柄1中，用于穩定螺旋槽刀桿8軸向位置，并起到調節軸向彈力大小作用。⑧調節螺塞，用于調節彈簧5行程，以及控制彈簧軸向彈力。⑨后端密封圈，在刀具加注內部切削液時，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行軸向定位滑動，在刀具進行正向旋轉時，由于螺旋線也是正向螺旋，因此刀具旋轉慣性會將螺旋槽刀桿反向向下滑動，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，從而對零件施加向下的軸向力。

同時，前后端密封圈7和12，分別置于夾持刀柄1的環槽中，以及彈簧底座螺塞6的環槽中，在刀具加注內部切削液時，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處流出。

彈簧調節螺塞4在通過調節工具調節后可進行行程固定鎖死，防止彈簧5行程變動。此調節力可根據實際加工工件進行相應調節。

該裝置主要用于工件平面內外輪廓倒角加工、圓柱體交叉孔內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，浮動范圍為20mm，且具有軸向加工力調節功能，因此，只要同批次零件的輪廓誤差在10mm以內，對零件輪廓進行首次編程后（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 參數設定

在自動仿形輪廓加工中，以零件輪廓誤差0～10mm、需要倒角深度D為例。如圖3所示，此時對刀總長為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

加工時浮動刀頭切削點線速度

式中，D為刀桿直徑（m m）；n為刀具轉速（r/min）。

切削點向心力

式中，m為刀桿質量（k g）；r為刀桿半徑（mm）；θ為螺旋角度。

當浮力彈簧發生彈性變形時，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。

因此，浮動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，在刀具轉速以及進給速度恒定的情況下，線性輪廓變小時，刀頭下伸，接觸點刀具直徑變大，vc會同比增加，因此F0也會相應增大。同時彈簧壓縮量X變小，因此彈簧彈力F相應變小。由此可以得出結論，刀具最終作用于零件輪廓的受力值基本不變。

4 加工狀態分析

4.1 零件某段輪廓位置沒有誤差

當零件某段輪廓位置沒有誤差時，刀具會以給定的輪廓線方向正常進行加工。刀具沒有軸向方向的移動，切削狀態穩定無變化。

4.2 零件某段輪廓位置偏大

當零件某段輪廓位置偏大時，刀具前進方向仍為給定的輪廓線方向，而深度進給方向由于輪廓位置偏大對刀具產生向上的推力，因此刀具會進行軸向向上隨行浮動。同時由于旋轉速度不變，刀具主要軸向下切力也會保持不變，但在浮動上行過程中，刀具實際加工直徑變小，切削速度下降，與此同時刀具后端微調彈簧的彈力也會因行程減小而增加，兩相作用下，共同保證倒角深度不會改變。

4.3 零件某段輪廓位置偏小

當零件某段輪廓位置偏小時，刀具前進方向仍為給定的輪廓線方向，而深度進給方向由于輪廓位置偏小，彈簧會對刀具產生向下的推力，因此刀具會進行軸向向下隨行浮動。此時刀具由正常加工進給變為軸向向下隨行浮動，同時由于旋轉速度不變，刀具主要軸向下切力也會保持不變，但在浮動下行過程中，刀具實際加工直徑變大，切削速度提高，與此同時刀具后端微調彈簧的彈力也會因行程增大而減小，兩相作用下，共同保證倒角深度不會改變。

通過研究鋁合金材料切削特性、切削參數，以及不同轉速、進給速度對去除毛刺深度的影響，總結出鋁合金材料去除毛刺、飛邊切削參數表（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，分別試驗角度30°～60°的螺旋刀桿，刀具轉速由2000r/min提升至4500r/min時，通過不同進給速度測試零件輪廓加工去除情況。

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

表2 合理切削參數

5 加工案例

以發動機缸體、缸蓋加工為例，在如圖4所示的發動機缸體中，上表面平面輪廓較多，其中包括外形輪廓、水道孔內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68件。具體實施方案如下。

圖4 發動機缸體

1）裝夾找正工件，裝備浮動去毛刺裝置，同時將發動機缸體上表面設定為坐標系Z值零點。

2）缸體平面輪廓誤差在10mm以內，同時需要倒角深度為0.5mm，此時刀具總長為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，利用參數線指令將缸體上表面二維輪廓線進行全部抓取，篩選出需要加工去除毛刺的輪廓線，作為后續加工軌跡線。

5）采用軟件POWERMILL中的曲線加工策略，設定偏移量8.5mm，設定轉速3500r/min，進給速度700mm/min，最后生成仿形加工程序，輸出加工代碼進行加工。

加工細節對比效果如圖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。此時缸體上表面內、外輪廓均光滑無毛刺，并且去除深度均在0.5mm，總加工時間為1.5min。

圖5 加工細節對比

與人工去除毛刺效果進行對比，結果見表3。

表3 不同去毛刺方式加工結果對比

通過測試，掌握了鋁合金材料毛刺去除切削參數，實現了鋁合金發動機缸體、缸蓋毛刺去除數控自動化，有效解決了去除毛刺余量不均勻問題，使發動機缸體、缸蓋上表面質量得到了極大提升，去除余量非常均勻并可控，去除效率提升80%以上。

6 結束語

此技術解決了發動機缸體、缸蓋加工后產生的毛刺和飛邊只能手持刮刀或手持電動工具方式處理的方式，實現了批量零件的毛刺飛邊快速加工處理，在降低勞動強度的同時節省大量試制加工時間，也解決了不規則形狀輪廓飛邊毛刺無法數控編程加工的難題，保證了毛刺去除余量均勻可靠，提升了零件表面質量。此方法對發動機新產品研發以及后續其他零件的試制研發具有重要意義。