王 磊 張 瓊 湯永凱盧秉恒

(①西安交通大學(xué)高端制造裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西 西安 710054； ②西安增材制造國家研究院有限公司，陜西 西安 710300)

在實際生產(chǎn)過程中，汽車動力總成、直升機(jī)變速器等箱體、殼體類零件設(shè)計有大量的高精度孔系加工需求。這些孔系包含有重要的安裝支承部位，如軸承座、齒輪軸的安裝孔，且一般設(shè)計為不同尺寸的孔徑、臺階孔等特征，往往加工精度要求高?？准庸ぞ葘Ξa(chǎn)品的裝配和后續(xù)使用性能有重要影響，加工效率對企業(yè)生產(chǎn)安排有重要影響。因此，孔加工工藝研究具有重要的意義和價值。

半精鏜、精鏜加工作為孔加工的關(guān)鍵工序一直以來受到工程師和研究者的關(guān)注[1-3]。一般孔加工工藝，采用鏜削加工要求達(dá)到H7精度。常規(guī)的鏜削加工具有低轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給量的特點，特別是單齒鏜刀是以點接觸的加工方式進(jìn)行零件的加工，存在效率不高的特點。另外，由于孔加工過程中鏜刀尖會隨著切削的增加而逐漸磨損，特別是單刃鏜刀尖磨損會更快，再加上切削熱變形等因素容易造成被加工孔的孔徑誤差，也影響了孔的加工精度。

針對不同大小和特征的孔徑加工，為了保證生產(chǎn)節(jié)拍和效率，鏜削加工工藝需要使用對應(yīng)尺寸大小的鏜刀進(jìn)行加工。在實際生產(chǎn)過程中，則需要配備多種規(guī)格尺寸型號的高精度鏜刀，一方面帶來鏜刀成本費(fèi)用居高不下，另一方面存在頻繁換刀的問題，延長了加工時間。且在實際生產(chǎn)安排中，為了滿足孔精加工和效率要求，含有不同孔徑以及臺階孔的零部件根據(jù)加工需要，往往工藝安排復(fù)雜或更換設(shè)備進(jìn)行加工。更換加工設(shè)備勢必需要引入工裝誤差，一定程度上降低了加工精度和加工效率，且自動夾具成本也會隨之增加。

當(dāng)前，針對銑孔加工，一般采用機(jī)床上的兩直線軸插補(bǔ)的形式進(jìn)行。兩直線軸聯(lián)動插補(bǔ)的精度直接決定銑孔的精度。機(jī)床各進(jìn)給軸在較高運(yùn)動過程中插補(bǔ)銑孔的精度很難達(dá)到鏜孔精度等級，只能用于粗加工。當(dāng)機(jī)床兩直線軸聯(lián)動過程中，插補(bǔ)圓的精度受限于進(jìn)給軸過象限點的位置精度。為了避免進(jìn)給軸在過象限點過大的加工缺陷，進(jìn)給軸往往采用較低的運(yùn)動速度，犧牲了加工效率。

筆者所在團(tuán)隊自2014年開始提出并研究以銑代鏜工藝實現(xiàn)孔的高效加工，2016年先后申請了相關(guān)專利[4-5],并研發(fā)成功了一款包含雙偏心主軸的精密鏜銑復(fù)合加工中心。采用展成圓代替插補(bǔ)圓的原理設(shè)計了特殊的主軸結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)孔的以銑代鏜加工工藝。本文將采用正交實驗，研究不同切削工藝參數(shù)對孔特征精度(尺寸精度、圓度、孔壁粗糙度)的影響，從而得出影響孔特征精度的主要工藝參數(shù)。最后，實際選取某汽車變速箱殼體類零件加工進(jìn)行對比實驗驗證。

1 工藝研究方案

1.1 工藝原理及實現(xiàn)方案

采用展成圓代替插補(bǔ)圓的原理設(shè)計了雙偏心的主軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。雙偏心主軸內(nèi)部偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)能夠精確實現(xiàn)主軸半徑方向0～10 mm的偏心調(diào)整量(最小分辨率為0.2 μm)，使得1把銑刀能夠在不采用雙直線軸插補(bǔ)的前提下，通過伺服調(diào)整在刀具切削直徑尺寸D基礎(chǔ)上，加工出(D～D+20)mm范圍內(nèi)的高精度孔。

根據(jù)圖1a所示原理圖，利用三角函數(shù)建立如下關(guān)系式：

(1)

其中，a與b分別為雙偏心結(jié)構(gòu)的實際加工尺寸大??；c為實際加工過程中所需的偏心調(diào)整量；θ為偏心結(jié)構(gòu)所需偏轉(zhuǎn)的角度值。

通過式(1)所示關(guān)系式即可計算出當(dāng)前所需偏心量調(diào)整量。在如圖1b所示的實際主軸設(shè)計中，通過采用偏心結(jié)構(gòu)驅(qū)動伺服系統(tǒng)以及圓光柵信號反饋，精確控制偏心θ角，實現(xiàn)偏心量的精確控制。

在動力主軸最大偏心尺寸范圍內(nèi)，通過電主軸自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動實現(xiàn)展成圓，與機(jī)床進(jìn)給軸復(fù)合運(yùn)動，實現(xiàn)螺旋銑孔運(yùn)動。公轉(zhuǎn)軸精密軸承的徑向跳動量能保證銑削加工出高精度的成形孔，使其能夠達(dá)到鏜削孔的加工精度等級。在偏心調(diào)整范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)1把銑刀加工出不同尺寸的高精度孔。

1.2 以銑代鏜工藝參數(shù)設(shè)定

由于具有特殊動力主軸結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，采用其動力主軸系統(tǒng)進(jìn)行銑孔加工時，其加工工藝參數(shù)的運(yùn)動模式具有特殊性和個異性。故在銑孔加工過程中，控制系統(tǒng)程序中輸入的參數(shù)也有所不同。

影響成形孔加工質(zhì)量的工藝切削參數(shù)主要有：切削速度Vc(m/min)、刀具每齒進(jìn)給量fz(mm)、軸向切深ap(mm)和徑向切深ae(mm)等。將傳統(tǒng)形式的雙直線插補(bǔ)運(yùn)動替換為動力主軸系統(tǒng)中的公轉(zhuǎn)主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動形式。針對傳統(tǒng)形式直線插補(bǔ)銑的切削工藝參數(shù)進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)化：

(1)切削速度

(2)

主要影響因素為主軸轉(zhuǎn)速n，r/min；刀具切削直徑d，mm，此參數(shù)無需進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

(2)進(jìn)給速度

Vf=fz×Z×n

(3)

式中：Z為切削刀具設(shè)計參數(shù)，此參數(shù)需要轉(zhuǎn)化為鏜銑床螺旋銑削中的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速N，r/min；公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與切削進(jìn)給速度間關(guān)系為：

(4)

式中：D為切削孔徑大小，mm。

(3)軸向切深ap，mm，此參數(shù)需要轉(zhuǎn)化，且與公轉(zhuǎn)主軸轉(zhuǎn)速N之間存在的關(guān)系為：

(5)

式中：Fz為切削加工過程中Z向進(jìn)給速度，mm/min。

2 以銑代鏜工藝研究實驗過程

本文采用課題組研制的一臺高效精密鏜銑床進(jìn)行實驗，如圖2所示。該機(jī)床是將上述主軸系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)集成，成為一臺精密的鏜銑復(fù)合加工中心。

在研究以銑代鏜工藝時，設(shè)定底孔尺寸為：φ28 mm，深度為20 mm，目標(biāo)孔加工后孔尺寸為：φ30 mm，材料為7075鋁合金。加工刀具為國產(chǎn)鋁合金專用銑刀，刀具材料為硬質(zhì)合金，切削刃數(shù)：3刃，全長為：100 mm，有效切削刃長為：45 mm，螺旋升角為：45°。

實驗加工工藝參數(shù)如表1所示以正交形式進(jìn)行，每種工藝參數(shù)加工兩個孔，保證切削結(jié)果準(zhǔn)確性。

表1 工藝參數(shù)設(shè)定

以銑代鏜工藝切削實驗過程如圖3所示，切削過程未使用潤滑冷卻液，采用風(fēng)冷的形式，切削加工過程無鐵屑粘刀現(xiàn)象。

利用三坐標(biāo)測量儀主要檢測成形孔的偏差以及圓柱度，孔壁粗糙度采用Mar粗糙度測量儀進(jìn)行檢測。

3 以銑代鏜工藝研究數(shù)據(jù)結(jié)果分析

分析成形孔檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：成形孔尺寸偏差最小值為8.1 μm，最大值為12.6 μm； 成形孔圓度最小值為2.1 μm，最大值為4.7 μm；孔壁粗糙度最小值為0.173 μm，最大值為0.356 μm。

切削工藝參數(shù)對成形孔質(zhì)量的影響分析如圖4～6所示。圖中，橫軸為主軸轉(zhuǎn)速：第一、二號數(shù)據(jù)對應(yīng)2 500 r/min時的孔徑質(zhì)量；第三、四號數(shù)據(jù)對應(yīng)4 000 r/min時的孔徑質(zhì)量；第五、六號數(shù)據(jù)對應(yīng)5 500 r/min時的孔徑質(zhì)量?？v軸為對應(yīng)尺寸大小，具體數(shù)據(jù)均標(biāo)注于柱狀圖上側(cè)。

(1)軸向進(jìn)給速度對成形孔徑質(zhì)量的影響

在公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為16.5 r/min的情況下，對比圖4數(shù)據(jù)的可發(fā)現(xiàn)，隨著軸向進(jìn)給速度的增大，孔壁粗糙度呈現(xiàn)明顯上升趨勢。

在公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為22 r/min的情況下，對比圖5數(shù)據(jù)的可發(fā)現(xiàn)，隨著軸向進(jìn)給速度的增大，孔壁粗糙度呈現(xiàn)明顯上升趨勢。

在公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為27.5 r/min的情況下，對比圖6中數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，隨著軸向進(jìn)給速度的增大，孔壁粗糙度上升趨勢不明顯，但在主軸轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時，粗糙度上升較為明顯。

(2)公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速對成形孔質(zhì)量的影響

軸向切深ap為0.4 mm的情況下，對比圖4a、圖5a和圖6a中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，主軸轉(zhuǎn)速在2 500 r/min時，隨著公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的變大，軸向進(jìn)給速度也隨之變大，孔徑的偏差、孔壁粗糙度呈現(xiàn)變大趨勢，孔徑圓度呈現(xiàn)波動現(xiàn)象；主軸轉(zhuǎn)速在4 000 r/min時，隨著公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的變大，軸向進(jìn)給速度也隨之變大，孔徑的偏差呈現(xiàn)變大趨勢，孔徑圓度呈現(xiàn)減小趨勢，孔壁粗糙度則呈現(xiàn)波動趨勢；主軸轉(zhuǎn)速在5 000 r/min時，隨著公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的變大，軸向進(jìn)給速度也隨之變大，孔徑的偏差呈現(xiàn)先變小再變大趨勢，孔徑圓度變化不明顯，孔壁粗糙度則呈現(xiàn)先變小后變大趨勢。

軸向切深ap為0.8 mm的情況下，對比圖4b、圖5b和圖6b中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，主軸轉(zhuǎn)速在2 500 r/min時，隨著公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的變大，軸向進(jìn)給速度也隨之變大，孔徑的偏差、孔壁粗糙度呈現(xiàn)變大趨勢，孔徑圓度呈現(xiàn)波動現(xiàn)象；主軸轉(zhuǎn)速在4 000 r/min時，隨著公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的變大，軸向進(jìn)給速度也隨之變大，孔徑的偏差呈現(xiàn)變大趨勢，孔徑圓度、孔壁粗糙度則呈現(xiàn)波動趨勢；主軸轉(zhuǎn)速在5 000 r/min時，隨著公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的變大，軸向進(jìn)給速度也隨之變大，孔徑的偏差整體呈現(xiàn)變大趨勢，孔徑圓度變化不明顯，孔壁粗糙度則呈現(xiàn)先變小趨勢。

軸向切深ap為1.2 mm的情況下，對比圖4c、圖5c和圖6c中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，主軸轉(zhuǎn)速在2 500 r/min時，隨著公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的變大，軸向進(jìn)給速度也隨之變大，孔徑的偏差、孔徑圓度呈現(xiàn)變大趨勢，孔壁粗糙度呈現(xiàn)先變小再變大趨勢。主軸轉(zhuǎn)速在4 000 r/min時，隨著公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的變大，軸向進(jìn)給速度也隨之變大，孔徑的偏差呈現(xiàn)變大趨勢，孔徑圓度則呈現(xiàn)變小趨勢，孔壁粗糙度呈現(xiàn)先變小再變大趨勢。主軸轉(zhuǎn)速在5 000 r/min時，隨著公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的變大，軸向進(jìn)給速度也隨之變大，孔徑的偏差整體呈現(xiàn)先變大再變小趨勢，孔徑圓度呈現(xiàn)變小趨勢，孔壁粗糙度則呈現(xiàn)變小趨勢。

4 汽車變速箱以銑代鏜工藝驗證

目標(biāo)零件為某型號變速箱殼體如圖7所示，鋁合金材質(zhì)。變速箱殼體中存在多種規(guī)格尺寸的裝配孔，尺寸范圍在φ54～74.5 mm，精度等級要求較高，最高要求達(dá)到H7級。加工過程如圖8所示。

分別安排鏜削工藝和以銑代鏜工藝進(jìn)行比較。為了獲得統(tǒng)一的邊界條件，這里將對比零件的粗加工采用粗鏜工藝統(tǒng)一處理，僅僅比較兩者的精加工精度和效率。針對汽車變速箱殼體中孔徑區(qū)間在φ54～74.5 mm的高精度孔加工。加工完成后，利用三坐標(biāo)測量儀檢測孔徑尺寸，具體數(shù)據(jù)如表2所示，測量結(jié)果均滿足孔徑尺寸要求。

(1)含粗加工(粗鏜)加工刀具成本與加工總時長對比

變速箱殼體加工刀具成本對比如圖9所示，采用以銑代鏜加工方式相較于傳統(tǒng)鏜削刀具總成本減小57%。

表2 變速箱殼體孔徑檢測結(jié)果

變速箱殼體加工總時長對比如圖10所示，以銑代鏜加工方式相較于傳統(tǒng)鏜削方式總時長縮短18%。

(2)去除粗加工(粗鏜)加工刀具成本與加工總時長對比

變速箱殼體加工刀具成本對比如圖11所示。以銑代鏜加工方式相較于傳統(tǒng)鏜削加工刀具總成本減少83%。

變速箱殼體加工總時長對比如圖12所示。以銑代鏜加工方式相較于傳統(tǒng)鏜削加工總時長縮短30%。

5 結(jié)語

本文提出采用展成圓代替插補(bǔ)圓的原理設(shè)計了特殊的主軸結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)孔的以銑代鏜加工工藝，并實驗驗證了可行性。

(1)在主軸結(jié)構(gòu)確定的情況下，以銑代鏜加工工藝參數(shù)中，影響成形孔成形尺寸大小、圓度最大的因素為軸向進(jìn)給速度，其次為主軸轉(zhuǎn)速(切削速度)，影響孔壁粗糙度最大的因素為主軸轉(zhuǎn)速(切削速度)。

(2)針對箱殼體類零件孔類特征加工，在選擇合理的切削工藝參數(shù)下，在滿足一定加工精度的約束下，以銑代鏜工藝的是可以替代常規(guī)的鏜削加工，且具有更高的加工效率和成本優(yōu)勢。

(3)在設(shè)備最大偏心調(diào)整范圍內(nèi)的孔徑分布越多，刀具成本節(jié)省就越突出，加工時間也就節(jié)省得越多，能夠在實際生產(chǎn)加工過程中大大提高加工效率和節(jié)省加工成本。