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應(yīng)用立式加工中心小批量插削盤形凸輪內(nèi)孔平鍵槽的加工工藝*

2024-01-09 05:08成振洋何冰強(qiáng)
機(jī)電工程技術(shù) 2023年12期
關(guān)鍵詞:鍵槽內(nèi)孔凸輪

成振洋,張 勇,何冰強(qiáng)

(1.廣州市輕工技師學(xué)院,廣州 510220;2.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣州 510545)

0 引言

盤形凸輪內(nèi)孔平鍵槽的底面與兩側(cè)面采用直角連接形式,用銑床類型設(shè)備結(jié)合銑刀的銑削法無法完成銑削平鍵槽的直角位[1],目前大部分仍采用傳統(tǒng)的電火線切割加工[2],或采用專用機(jī)床插床插削[3],也有的用拉床拉削[4],這些方法均有不足之處,小批量加工鍵槽效率低、成本高。因此,研究利用銑床類型設(shè)備結(jié)合特制夾具、附件或刀具進(jìn)行小批量加工內(nèi)孔平鍵槽的高效加工工藝是機(jī)械加工行業(yè)相關(guān)從業(yè)人員的迫切需求。

國內(nèi)外研究者對(duì)內(nèi)孔平鍵槽加工工藝的探索研究不多。潘建新等[5]通過設(shè)計(jì)立式數(shù)控銑床附件機(jī)構(gòu),機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)用錐齒輪嚙合傳動(dòng)原理,將銑刀豎向進(jìn)刀改變橫向進(jìn)刀,實(shí)現(xiàn)銑削直角內(nèi)孔鍵槽。吳龍飛等[6]利用臥式加工中心,設(shè)計(jì)制作輔助夾具連接角度頭與臥式加工中心主軸,然后令角度頭與刀具連接,通過角度頭改變銑刀的進(jìn)刀方向,從而實(shí)現(xiàn)銑削內(nèi)孔鍵槽。陳榕林等[7]將普通立銑床的主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)改裝成插床的插削進(jìn)給機(jī)構(gòu),將立式銑床主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為工作臺(tái)間歇的進(jìn)給運(yùn)動(dòng),形成插削運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)插削內(nèi)孔鍵槽。王順軍等[8]利用普通立式銑床,并定制成型刀具安裝于銑床主軸上,通過手動(dòng)控制工作臺(tái)的上升及下降往復(fù)運(yùn)動(dòng),插削內(nèi)使用成型刀具加工內(nèi)孔鍵槽。上述研究雖然都是利用銑床類型設(shè)備銑削或插削內(nèi)孔鍵槽,但是都是投入較大成本設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)、夾具或改裝設(shè)備來實(shí)現(xiàn)內(nèi)孔鍵槽加工。

本文從盤形凸輪零件的結(jié)構(gòu)入手,分析內(nèi)孔平鍵槽的形狀特點(diǎn),利用加工中心機(jī)床高速高效加工性能及編程邏輯,結(jié)合傳統(tǒng)插削刀具的結(jié)構(gòu)特征,提出使用立式加工中心,運(yùn)用數(shù)控手工編程主軸定向、直線插補(bǔ)及循環(huán)運(yùn)動(dòng)指令,設(shè)計(jì)適用于立工加工中心刀柄的插刀,進(jìn)行盤形凸輪內(nèi)孔平鍵槽的數(shù)控插削加工實(shí)踐分析,并對(duì)比所提加工工藝與傳統(tǒng)加工工藝,分析其優(yōu)劣性。

1 凸輪加工工藝分析

1.1 凸輪功能特點(diǎn)

盤形凸輪是凸輪機(jī)構(gòu)的重要零件,凸輪機(jī)構(gòu)一般應(yīng)用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成(驅(qū)動(dòng))直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合,但其從動(dòng)件的行動(dòng)不能太大,否則凸輪變化過大,對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的工作不利,所以一般應(yīng)用于行程較短的場(chǎng)合。盤形凸輪模型如圖1所示。

圖1 盤形凸輪模型

1.2 凸輪結(jié)構(gòu)及傳統(tǒng)工藝路線

本文的盤形凸輪是平面凹槽型盤形凸輪,零件是6063 鋁質(zhì)材料,外表面為圓柱形,端面有凸輪凹槽和帶有直角鍵槽的通孔。內(nèi)孔平鍵槽主要用于與鍵相配,用來安裝鍵,并與軸相配,以傳遞扭矩。此類零件傳統(tǒng)的加工工藝路線是:圓柱毛坯→數(shù)控車床車削外圓、鉆內(nèi)孔、控制總長(zhǎng)→立式加工中心機(jī)床銑削凸輪槽→拉床拉削或插床插削內(nèi)孔平鍵槽,共需要3道工序3種機(jī)床設(shè)備才能完成該零件的加工。盤形凸輪零件圖如圖2所示。

圖2 盤形凸輪零件圖

2 凸輪內(nèi)孔平鍵槽加工工藝改進(jìn)

由于傳統(tǒng)加工工藝需要多工序多機(jī)床設(shè)備,每道工序的流轉(zhuǎn)均需要耗費(fèi)時(shí)間,且該零件鍵槽寬度尺寸公差達(dá)到0.03 mm,表面粗糙度Ra=3.2 μm,精度要求較高。本文基于當(dāng)前定制化刀具成本下降、便捷,綜合考慮零件材質(zhì)、精度要求、加工效率及成本,提出改進(jìn)盤形凸輪內(nèi)孔平鍵槽的加工工藝,不再采用拉床拉削或插床插削鍵槽,而是沿用上一道工序銑削凸輪槽的立式加工中心機(jī)床設(shè)備和夾具進(jìn)行插削。

2.1 設(shè)備選用分析

加工內(nèi)孔平鍵槽的常用工藝為拉床拉削、插床插削或電火花線切割機(jī)床切割內(nèi)孔平鍵槽,而本文提出選用立式加工中心機(jī)床插削。內(nèi)孔平鍵槽加工設(shè)備分析對(duì)比如表1所示。

綜合分析對(duì)比,選用立式加工中心機(jī)床插削此類內(nèi)孔平鍵槽時(shí)效及性價(jià)比較優(yōu),但由于插削是刀具垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng),并且刀具不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)切削材料,只是依靠插刀刀尖碰撞切削材料,切削過程會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),需要重復(fù)定位精度穩(wěn)定、強(qiáng)度高、承載能力強(qiáng)的機(jī)床才能保證加工要求。因此,可選用硬軌式的立式加工中心機(jī)床進(jìn)行插削加工,其導(dǎo)軌接觸面積大、摩擦力大、承受負(fù)荷能力強(qiáng),機(jī)床運(yùn)行更加平穩(wěn)。另外,目前市場(chǎng)上用于立式加工中心的插刀較少,型號(hào)規(guī)格可選范圍較少,因此加工此類型內(nèi)孔平鍵槽可以定制成型插刀以提高生產(chǎn)效率。

2.2 插刀設(shè)計(jì)

(1)刀桿外形選用

由于加工中心常用刀柄為BT40刀柄,可提供較大的加持力,同時(shí)防止后期刀具鈍化后導(dǎo)致刀具軸向后移,因此加工中心所用的插刀刀桿需設(shè)計(jì)為圓柱,與傳統(tǒng)插床插刀外觀形狀有較大不同。

(2)刀具材質(zhì)

本盤形凸輪材質(zhì)為6063 鋁材,材質(zhì)較軟,因此刀具材質(zhì)選用W18Cr4V 高速鋼,俗稱鎢系高速鋼。它是一種合金元素(W、Cr、V 等)含量極高的鋼材,具有較高的紅硬性和硬度,同時(shí)回火穩(wěn)定性及耐磨性也非常好,廣泛應(yīng)用于制造直升機(jī)零部件加工用金屬切削刀具[9]。其熱處理范圍較寬,淬火不易過熱,熱處理過程不易氧化脫碳,磨削加工性能較好,此類鋼材在500 ℃及600 ℃時(shí)硬度分別保持在HRC63~64 及HRC62~63,對(duì)于鋁質(zhì)材料具有良好的切削性能,在插削鋁件時(shí)刀具具有鋒利、不易粘刀,耐用度高,后期刀刃磨損后可進(jìn)行多次修磨的特點(diǎn)。

(3)刀刃設(shè)計(jì)

插削的方式類似刨削的加工方式,只是切削方向不同,因此插刀刀刃參數(shù)按刨刀的方式設(shè)計(jì)。插刀屬于單刃刀具,與刨刀相比,插刀的前面與后面位置對(duì)調(diào),為了避免刀桿與工件已加工表面發(fā)生碰撞,其主切削刃偏離刀桿正面,插刀的幾何角度一般是前角r為0°~12°,后角α為4°~8°。因此,根據(jù)被加工鍵槽形狀及尺寸,取刀具前角r=9°,可以使刀具鋒利,散熱更好;后角取α=5°,取中下限值可以讓刀具剛性更好。在刀具主切削刃兩邊棱角采用0.2°的倒角,可以使刀尖散熱更好尺寸更穩(wěn)定,且刀尖更耐磨。為增加刀具整體的剛性,將刀桿與刀刃連接的前段設(shè)計(jì)為圓柱形,且能與零件內(nèi)孔底孔避開干涉,在不影響刀具下插內(nèi)孔的情況下,通過計(jì)算得出最大圓柱直徑為?12 mm。在刀具外圓柱面設(shè)計(jì)一處平面,方便刀具裝在機(jī)床主軸時(shí)找正定位。插刀模型如圖3所示,插刀設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 插刀設(shè)計(jì)圖

2.3 夾具選用

盤形凸輪外形結(jié)構(gòu)屬于回轉(zhuǎn)體類,且零件為小批量的鋁質(zhì)材料,材料硬度95HB,非高硬度材料。因此,一般加工凸輪槽和內(nèi)孔平鍵槽時(shí),選用通用夾具自定心三爪卡盤,并配套反爪夾持零件,這樣自定心三爪卡盤中心一致、裝夾零件快速、實(shí)用性強(qiáng)。盤形凸輪內(nèi)孔平鍵槽插削加工裝夾如圖5所示。

圖5 盤形凸輪插削加工裝夾

3 凸輪內(nèi)孔平鍵槽插削程序編寫

3.1 關(guān)鍵插削程序指令選用及路線擬定

插削是插刀相對(duì)工件作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的主運(yùn)動(dòng)且工件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的機(jī)械加工方式,插削內(nèi)孔平鍵槽時(shí)機(jī)床主軸不能旋轉(zhuǎn),因此加工程序中需要使用M19 主軸定向。需要注意的是,由于不同機(jī)床的參數(shù)不同,主軸定角度后偏置的坐標(biāo)軸是不一樣的(有的是X軸,有的是Y軸),運(yùn)行程序前一定要明確機(jī)床的偏置方向[10],還要找正插刀桿側(cè)面,使插刀與徑向進(jìn)給軸平行,與鍵槽方向一致[11]。另外用G00 快速定位,用G81 鉆孔固定循環(huán)指令可省去很多動(dòng)作,若使用常用編程指令編寫孔加工程序則十分麻煩[12]。因此,采用M19、G00、G81 等關(guān)鍵指令進(jìn)行編程,最終形成由8 個(gè)動(dòng)作組成的插削內(nèi)孔平鍵槽固定循環(huán)動(dòng)作,分別為:(1)X、Y、Z 軸快速定位;(2)快速運(yùn)行到初始平面;(3)快速運(yùn)行到R平面;(4)快速插削鍵槽;(5)到達(dá)設(shè)定深度;(6)快速返回到R平面;(7)X軸向增量移動(dòng)進(jìn)給背吃刀量;(8)循環(huán)重復(fù)步驟(4)~(7)進(jìn)行插削加工,直至達(dá)到設(shè)定X軸向點(diǎn)停止插削返回安全高度。盤形凸輪內(nèi)孔平鍵槽插削加工循環(huán)動(dòng)作如圖6所示。

圖6 插削循環(huán)動(dòng)作示意

3.2 切削參數(shù)選用

根據(jù)刀具質(zhì)材及零件質(zhì)材,查閱《金屬切削刀具設(shè)計(jì)手冊(cè)》[13]及刀具制造商提供的插刀切削參數(shù),確定了插削內(nèi)孔平鍵槽切削參數(shù)可選范圍:徑向切深ap為0.02~0.07 mm,切削進(jìn)給速度F為1 200~2 500 mm/min。經(jīng)過多次加工試驗(yàn)得出徑向切深ap=0.06 mm,切削進(jìn)給速度F=2 000 mm/min的綜合時(shí)效較優(yōu)。

3.3 插加工數(shù)控程序編寫

根據(jù)選定的設(shè)備、夾具、刀具、切削參數(shù),以FANUC 數(shù)控系統(tǒng)[14]為例進(jìn)行編程,具體加工程序如表2 所示。

表2 內(nèi)孔平鍵槽插削加工數(shù)控程序

4 加工效果對(duì)比

本文使用的立式加工中心具備工序高度集成的功能,可確保各加工環(huán)節(jié)有序推進(jìn)[15]。本工藝通過該設(shè)備解決插削盤形凸輪內(nèi)孔平鍵槽,同時(shí)還能在該設(shè)備上進(jìn)行銑削盤形凸輪及內(nèi)孔,工序集中,減少了零件加工裝夾次數(shù),且加工中心機(jī)床的切削速度可達(dá)到15~100 m/min,一般尺寸精度達(dá)到0.01 mm,表面粗糙度可達(dá)0.63 μm。而傳統(tǒng)加工工藝采用拉床拉削,其切削速度一般較低(小于18 m/min),但加工精度較高,一般拉孔尺寸精度公差等級(jí)可達(dá)到IT7-IT8,表面粗糙度為0.4~0.8 μm;另插床插削的切削速度快于拉削,一般為15~25 m/min,但加工精度低于拉削,尺寸精度公差等級(jí)一般為IT7-IT9,表面粗糙度為3.2~6.3 μm,且2 種傳統(tǒng)加工藝設(shè)備屬于專用加工設(shè)備,加工功能單一,適合中、大批量零件生產(chǎn)加工,對(duì)于小批量加工生產(chǎn)成本較高。3 種加工工藝的加工內(nèi)容、加工精度、加工時(shí)間對(duì)比如表3 所示。由表可知,采用立式加工中心加工盤形凸輪的內(nèi)孔平鍵槽效果最佳,既能加工零件多個(gè)部位,減少零件加工工序流轉(zhuǎn)時(shí)間,又能達(dá)到精度要求。

表3 立式加工中心插削與傳統(tǒng)加工工藝加工內(nèi)孔平鍵槽的效果對(duì)比結(jié)果

5 結(jié)束語

本文針對(duì)盤形凸輪內(nèi)孔平鍵槽的形狀、尺寸及加工工藝進(jìn)行分析,提出了一種使用立式加工中心機(jī)床,并采用自行設(shè)計(jì)的插刀,結(jié)合數(shù)控手工編程的加工工藝方法,解決了盤形凸輪內(nèi)孔平鍵槽無法在立式加工中心機(jī)床加工的問題,主要得到以下結(jié)論。

(1)在立式加工中心機(jī)床上采用自行設(shè)計(jì)的插刀,并在手工編程插削程序時(shí),應(yīng)用機(jī)床主軸定向給出指令,使刀具固定方向進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)插削鍵槽長(zhǎng)度及徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)插削鍵槽深度,實(shí)現(xiàn)利用立式加工中心插削鍵槽。

(2)在立式加工中心機(jī)床上加工鋁質(zhì)內(nèi)孔平鍵槽,形狀尺寸精度能達(dá)到圖紙要求,表面粗糙度可以達(dá)到3.2 μm,總體加工時(shí)間長(zhǎng)比傳統(tǒng)加工工藝?yán)怖骱筒宕膊逑骺?0~30 s,提高了綜合時(shí)效,且品質(zhì)有保證。

(3)利用立式加工中心機(jī)床插削內(nèi)孔平鍵槽,可以減少盤形凸輪零件的加工工序及加工設(shè)備,達(dá)到一機(jī)多用,既縮短零件的生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng),還能降低零件由于多工序裝夾加工產(chǎn)生的累積誤差。

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