姚龍濤

(中信重工機(jī)械股份有限公司，河南洛陽(yáng) 471039)

隨著數(shù)控加工技術(shù)在機(jī)械行業(yè)的深入應(yīng)用，創(chuàng)新 加工方法、提高加工效率顯得越來(lái)越重要。對(duì)于不同特征的產(chǎn)品、不同的機(jī)床設(shè)備，應(yīng)選用不同的數(shù)控加工工藝和編程方法［1］。產(chǎn)品的加工精度和生產(chǎn)效率除了受數(shù)控機(jī)床自身影響外，很大程度上也深受數(shù)控編程的影響［2］。以凹球面加工為例，常規(guī)工件采用車(chē)削加工效率高，易于保證尺寸精度，但對(duì)于不易裝卡的工件采用數(shù)控銑削加工，尤其對(duì)于大型凹球面的數(shù)控加工，選擇合適的刀具、合理的走刀路線，可以大大提高加工效率，充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的作用，為類(lèi)似產(chǎn)品的加工提供經(jīng)驗(yàn)［3］。

1 大型凹球面的加工工藝分析

圖1所示的壓力桿零件外圓直徑990 mm，長(zhǎng)2 000 mm左右，中心有直徑124 mm的通孔，兩端有半徑為2 015 mm的凹球面，粗糙度要求為Ra3.2 μm。對(duì)于半徑為2 015 mm的凹球面，常規(guī)方法采用車(chē)削加工，易于保證其尺寸精度，并且可直接拋光達(dá)到粗糙度要求，但裝卡、調(diào)裝找正都有困難，需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用裝卡工裝。圖2所示的支座零件在1 610 mm×1 000 mm×200 mm的鋼板上凸出了一個(gè)直徑590 mm的圓柱，端部有半徑1 200 mm的凹球面，粗糙度要求為Ra3.2 μm。因其矩形底座的對(duì)角線長(zhǎng)約為1 900 mm，加工凹球面至少需要選擇2.5 m數(shù)控立車(chē)或選擇2 m數(shù)控臥車(chē)進(jìn)行加工。因加工時(shí)中心位置的速度幾乎為零，為減小粗糙度值需提高主軸轉(zhuǎn)速以提高切削速度，但此方法安全性和切削性都很差，并存在不易裝卡、車(chē)削危險(xiǎn)性大等問(wèn)題。

因此提出以銑代車(chē)的加工方法，即采用數(shù)控銑削加工凹球面，則工件的裝卡穩(wěn)定性好、安全系數(shù)高。

2 數(shù)控銑削刀具選擇和走刀路線設(shè)計(jì)分析

2.1 球頭刀及其走刀路線分析

2.1.1 殘留峰高與刀具半徑、步距的關(guān)系

精銑加工是表面質(zhì)量最關(guān)鍵的一點(diǎn)是取決于加工后的殘留峰高，不同的步距L、不同的刀具半徑R影響著殘留峰高H，容易得出:

式中:L、R、H，單位都為 mm。

由式(1)、(2)可以看出當(dāng)?shù)毒甙霃絉一定時(shí)，步距L越小，殘留峰高H越小。殘留峰高影響著工件表面質(zhì)量，步距L的大小影響著生產(chǎn)效率。加工編程時(shí)，可選擇采用改變刀具半徑和加工步距的方式來(lái)減小殘留峰高，保證粗糙度［4］。

走刀路線是指數(shù)控銑削加工過(guò)程中刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡，它反映了工序的加工過(guò)程。確定合理的走刀路線是保證銑削加工精度和表面質(zhì)量的重要工藝措施之一，走刀路線合理與否，關(guān)系到加工的生產(chǎn)效率，也是確定數(shù)控編程的前提［5］。

2.1.2 同心圓走刀路線

殘留峰高H表現(xiàn)為同心圓形式。令球頭刀半徑為R，凹球面半徑為R球，凹球面端面半中心角為α，步距為L(zhǎng)，步距數(shù)為n，每一圈圓刀具球心的行程是半徑為(R球－R)sinβ 圓的周長(zhǎng)，β 為變化的角度:α/n，2α/n，…，nα/n，這些同心圓周長(zhǎng)之和即為加工凹球面刀具中心總行程，設(shè)為A1，則，

由自變量數(shù)列求和有關(guān)的三角函數(shù)公式:

化簡(jiǎn)得，

2.1.3 徑向切削走刀路線

殘留峰高表現(xiàn)為徑向形式，殘留峰高是變化的，由凹頂點(diǎn)到邊緣逐漸增大，邊緣處殘留峰高滿(mǎn)足要求，其余區(qū)域都滿(mǎn)足要求。令邊緣處殘留峰高為H，步距與同心圓切削時(shí)步距L數(shù)據(jù)相同，步距數(shù)不同，設(shè)為N。加工半徑為R球的凹球面，則每一徑向切削刀具球心行程是半徑為R球－R的圓的周長(zhǎng)的α段長(zhǎng)度，其加工步距數(shù)為凹球面邊緣處半徑為R球sin(α)的圓的周長(zhǎng)與步距的比值，設(shè)加工凹球面刀具中心總行程為B1，那么容易得到:

表1 球頭刀切削軌跡行程計(jì)算

表2 R圓角仿形面銑刀切削軌跡行程計(jì)算

2.1.4 計(jì)算分析

直接比較A1、B1的值比較困難，下面通過(guò)給定不同的刀具尺寸、殘留峰高、凹球面半徑及加工凹球面區(qū)域進(jìn)行數(shù)值計(jì)算比較，見(jiàn)表1。對(duì)比表1中的A1、B1的計(jì)算數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)A1值都小于B1值，這在理論上證明了使用球頭刀加工時(shí)，在保證同一殘留峰高的條件下，采用同心圓走刀路線切削行程短、效率高。

2.2 帶R圓角的仿形面銑刀及其走刀路線分析

2.2.1 同心圓走刀路線

此時(shí)殘留峰高和面銑刀的直徑?jīng)]有關(guān)系，只和刀具R圓角的大小有關(guān)，等同于半徑為R的球頭刀的加工。如圖3所示，加工的凹球面的球半徑為R球，步距為L(zhǎng)1，殘留峰高為H，刀具直徑為D，最小有效直徑為D1，刀具圓角為R，每一圈圓刀具中心的行程是半徑為(R球－R)sinβ－D1/2的圓的周長(zhǎng)，式中 β 為:α0+α1，α0+2α1，……，α0+nα1;α1= α/n;α0為刀具無(wú)法加工的部位，為便于比較計(jì)算，當(dāng)R球遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于D時(shí)忽略α0，令加工凹球面刀具中心總行程為A2，那么化簡(jiǎn)后得:

2.2.2 徑向切削走刀路線

其殘留峰高表現(xiàn)為徑向形式，刀具的有效直徑D0為D1+2Rsinβ是變量，在凹球面邊緣處的殘留峰高最大，設(shè)定步距時(shí)只需考慮保證此處的殘留峰高，在邊緣處的有效直徑D0為D1+2Rsinα，由有效直徑D0產(chǎn)生的殘留峰高H0是水平方向的，它與徑向殘留峰高H的關(guān)系為:H0=H/sinα，步距為L(zhǎng)2，其步距數(shù)由邊緣圓弧周長(zhǎng)與步距比值得到，如圖5所示，每一徑向刀具中心行程是刀具圓角半徑R中心軌跡平移D1/2，設(shè)加工凹球面刀具中心總行程B2，不難得出:

2.2.3 計(jì)算分析

同樣直接比較A2、B2的值比較困難，下面通過(guò)給定不同的刀具尺寸、殘留峰高、凹球面半徑及加工凹球面區(qū)域進(jìn)行數(shù)值計(jì)算比較，見(jiàn)表2。

對(duì)比表2中的A2、B2的計(jì)算數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn):

(1)序號(hào)1中A2值小于B2值，說(shuō)明使用帶R圓角仿形面銑刀，如果刀具直徑與R值相差較小，走刀路線采用同心圓銑削加工效率高;

(2)序號(hào)2中A2值大于B2值，說(shuō)明如果刀具直徑與R值相差較小，但加工的凹球面的半徑很大，走刀路線采用徑向銑削加工效率反而高;

(3)序號(hào)3－4中A2值小于B2值，說(shuō)明使用的刀具直徑與R值相差較小，加工的凹球面的半徑很小，走刀路線采用同心圓銑削加工效率高;

(4)序號(hào)5－13中A2值大于B2值，說(shuō)明刀具直徑越大且與R值相差越大，采用徑向切削走刀路線切削時(shí)行程越短、效率越高，加工的凹球面的半徑越大，提高的效率越明顯;另外，凹球面粗糙度要求越高、加工的凹球面的區(qū)域越大，提高的效率越明顯。

3 凹球面實(shí)際銑削加工驗(yàn)證

圖1所示的壓力桿零件，兩端都有SR2015凹球面，在保證同等加工精度的前提下，采用φ32 mm球頭刀進(jìn)行半精銑、精銑加工使用時(shí)間為147.2 h，采用φ125R8的仿形面銑刀進(jìn)行半精銑、精銑加工時(shí)間為31.6 h，對(duì)比使用兩種刀具的加工時(shí)間，采用φ125R8仿形面銑刀效率高，一件壓力桿可節(jié)約115.6 h。

圖2所示的支座零件，凹球面半徑為SR1200，采用φ32 mm球頭刀進(jìn)行半精銑、精銑支座的時(shí)間為26 h，采用φ125R8仿形面銑刀，半精銑、精銑加工一件支座凹球面的時(shí)間為6.5 h，對(duì)比加工時(shí)間，仍然是采用φ125R8仿形面銑刀加工效率高，一件支座凹球面的加工可節(jié)約時(shí)間19.5 h。

通過(guò)實(shí)際加工同樣證明了凹球面的半徑越大，采用仿形面銑刀加工效率提高的越明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)壓力桿、支座兩類(lèi)零件的凹球面加工進(jìn)行工藝分析、理論計(jì)算及零件的實(shí)際銑削加工，驗(yàn)證了凹球面以銑代車(chē)加工工藝的可行性和采用徑向走刀編程的良好加工效果。并且驗(yàn)證了使用球頭刀和仿形面銑刀加工效率區(qū)別較大，仿形面銑刀由于切削直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于球頭銑刀，加工效率優(yōu)勢(shì)更加明顯，而且凹球面的區(qū)域越大，加工效率的提高越顯著。

通過(guò)這次工藝方法的創(chuàng)新，為同類(lèi)型產(chǎn)品提供了新的工藝方法，充分發(fā)揮了數(shù)控銑床的作用，大大提高了加工效率，有一定的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

［1］李宏策.數(shù)控加工與傳統(tǒng)機(jī)加工工藝比較［J］.機(jī)床與液壓，2011，302(10):46－48.

［2］趙曉燕，劉志剛.宏變量在球面數(shù)控銑削加工中的應(yīng)用［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2009(4):48－50.

［3］王華僑，張穎，孫煥軍.提高數(shù)控加工效率與潛能的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究(上)［J］.金屬加工(冷加工)，2008(11):64－66.

［4］巨江瀾.基于球刀數(shù)控加工的殘余高度控制研究［J］.甘肅科技，2009(18):39－41.

［5］徐雙塘.淺談數(shù)控銑削曲面零件的走刀路線［J］.CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2011，195(6):63 －64.