封闭深孔多头内螺旋槽数控工艺改进

2022-01-25韩利萍李国华何德胜

机械管理开发 2021年11期

韩利萍，陈龙，李国华,李鹏,何德胜

（山西航天清华装备有限责任公司，山西长治 046012）

引言

封闭深孔多头内螺旋槽型结构夹紧块零件在加工过程中，采用传统车削加工时，封闭多头螺旋槽，由于加工区域冗余空间小，导致加工区域排屑不畅，散热效果差，自制的小直径R刀具刚性弱，加工一致性差，装夹繁琐等因素导致加工质量差，生产效率低，严重制约生产进度，因此对此类零件进行工艺创新性研究有极大的意义和应用价值。本文在使用以铣代车加工方法的基础上，综合采用改变零件毛坯尺寸，选择小直径硬质合金铣刀，优化编程方案等针对性措施，有效解决了封闭深孔多头内螺旋槽型结构夹紧块加工难题，确保了质量稳定和生产效率的提升。

1.1 零件结构简介

某产品零件夹紧块（如图1）尺寸为90 mm×19 mm×61 mm，零件内部围绕着Φ23 mm内孔轴线方向形成6条互为60°的形状一致的R3 mm螺旋槽，导程144 mm，每条螺旋槽的孔径均为Φ6 mm，孔深却长达90 mm，属于典型的封闭深孔多头内螺旋槽，零件图如图1所示。

图1 零件示意图

1.2 加工难点分析

传统加工工艺采取车削和铣削共同完成，首先安排数控铣削外形（2件一起加工，厚度下料为56 mm），安排数控车削工序车削6头R3 mm内螺旋槽，然后线切割工序将沿厚度50 mm中心位置工件切割一分为二，最后数控铣削工序铣成厚度19 mm，保证相应尺寸。针对该零件加工难点分析有以下几点：

1）封闭深孔内螺旋槽加工排屑不畅。由于螺旋槽孔径为Φ6 mm，孔深却长达90 mm，属于典型的深孔内螺旋槽，加工中受到（超深细长孔内螺旋线为空间曲线）的深孔内螺旋的工艺复杂性和加工条件的恶劣性（排屑不畅，散热困难，被加工面加工过程难以检测）等多种条件的影响，加工效率较低。

2）R3 mm内孔车刀刚性差且磨损严重。目前无成型车刀，数控车削工序在加工6头螺旋槽R3 mm时，需要磨制R3 mm内孔刀，内孔刀一致性较差、刚性差且磨损较快，切削过程中出现严重的让刀现象，成品呈现螺旋槽深度不均匀（进刀孔口大，出刀孔口小），一次交验合格率较低。

3）深槽分层车削加工效率低。数控车削过程中采用编制变量程序，完成分层加工螺旋槽（R3 mm的槽深分层车削时，每次只能工进0.1 mm，进给速度为100 r/min），同时受操作者加工经验水平参差不齐的影响，加工效率和加工质量较低。

4）非圆零件车削装夹需要借助辅助工装，调整时间长。

鉴于以上实际生产过程中车削深孔内螺旋的工艺复杂性、加工条件的恶劣性、加工质量的不稳定性、加工成本较高、加工效率低等诸多问题，急需改进工艺方法，从而保证零件加工质量。

2 工艺解决方案

针对夹紧块零件的螺旋槽加工难题，对其工艺方法进行改进优化。结合零件特点制定解决方案，取消数控车削工序和线切割工序，以铣代车，采取合并数控铣削工序一次加工完成。零件毛坯只需原来1/2厚度,改封闭槽车削为开放槽铣削解决排屑不畅问题，选择小直径硬质合金球头铣刀，切削深度仅为7 mm，分层切削刀具刚性好，加工效率有效提升。

2.1 将封闭槽改为开放槽，解决排屑不畅问题

安排铣削工艺加工，螺旋槽孔径仍为Φ6 mm，铣削的最深尺寸是7 mm，零件毛坯只需原来1/2厚度,原封闭槽车削改为现开放槽铣削，可有效解决排屑不畅和加工区域散热问题，可用R规测量槽径尺寸精度。

2.2 选用小直径硬质合金铣刀

数控铣削采用伊斯卡Φ6 mm硬质合金球头铣刀（切削深度仅为7 mm、刚性好、涂层刀具耐磨损）可更换加工一致性好，有效控制了螺旋槽尺寸不一致的瓶颈，加工质量稳定可靠。

2.3 选用通用平口钳夹具铣削装夹

数控铣削时装夹方形零件采用通用平口钳夹具定位装夹，且装夹和定位操作简单方便。

2.4 采用分层铣削螺旋槽加工

采用分层加工螺旋槽，每次工进0.3 mm，进给速度为1 200 r/min，是车削加工的数倍，且加工过程切削稳定，操作者均能很快掌握。

2.5 改进编程方案

铣削编程可采取NC编程或NX软件编程两种解决方案。

2.5.1 方案一

NC编程时应用螺旋槽空间曲线参数方程编制子程序，然后通过子程序调用和坐标系平移来完成程序的编制；夹紧块零件的内部结构为6条沿内径分布的形状一致的螺旋槽，NC编程时，应用内螺旋槽空间参数方程定义内螺旋的空间的坐标关系，编制螺旋槽加工程序。可以通过采用子程序调用和坐标系平移来简化程序的编制。先选定坐标系（如图2），完成铣削一次螺旋槽程序的编制，然后将此程序作为子程序，铣削一次后，再采用坐标系平移指令，调用子程序，完成其余螺旋槽的加工。

图2 编程坐标系示意图

内螺旋的空间曲线参数方程（应用西门子802D系统）为：

2.5.2 方案二

NX软件编程应用建模功能绘制出所要加工的螺旋槽的数学模型，建立加工坐标系，根据螺旋槽的尺寸，选择刀具，确定螺旋槽型型腔加工策略，计算刀心轨迹，由软件生成加工路径并由后处理转化为机床可识别的代码，传输给机床进行切削。

1）构造螺旋槽的数学模型。进入建模界面（如图3），建立坐标系→进入草图环境→绘制草图→拉伸→建立基准坐标系→绘制螺旋线→在截面上建立基准平面→绘制草图→扫掠→实体几何体→求差→拉伸→边倒圆→倒斜面→完成。

图3 NX建模示意图

2）创建型腔铣操作（粗加工）和创建轮廓区域操作（精加工）。点击“开始”进入“加工”界面，点击“操作导航器”，建立型腔铣操作；在对话框中选刀具，建立球头铣刀（直径Φ6 mm），拔模角度选0°；在对话框中选“区域铣削”，确定；在驱动方式界面中，切削类选“往复铣”，步进选“刀具半径”，百分比选75%，确定；切削区域选择将要加工的侧壁面，确定；刀轴选择“+ZM轴”点“切削”精铣选部件余量为0；点“非切削的”进刀中距离选项15 mm，点图标进给率选1200 mm，选主轴速度2 000 r/min;在主界面图标选“修剪”，选择“曲线边界”，修剪侧选项“外部”，确定；在主界面点图标“生成”，生成扫描加工轨迹；2D模拟验证加工区域，使用后处理生成程序，即可加工螺旋槽（如图4）。

图4 NX加工轨迹生成示意图

2.6 实施效果

运用新方法，山西航天清华装备有限责任公司顺利完成了夹紧块螺旋槽（如图5）的加工，无一例因零件尺寸超差而造成报废和返修。通过实施效果对比（见表1）可知，与传统加工方法相比，这是一种可靠且高效的新方法。该方法操作简单，加工成本低，适用于类似的内螺旋槽的加工，具有良好的应用和实用价值。当加工不同螺距的螺旋槽时，只需要改变工件实体模型或者更改参数方程的数值即可，为同类零件的加工提供了有益的参考。