铣削刀具在变速器箱体零件加工中的应用

2022-03-21刘金卫

金属加工(冷加工) 2022年3期

刘金卫

上汽通用汽车有限公司上海 201206

1 序言

铣削加工是一种常用的机加工方式，铣削加工因为是多齿工作，具有以下特点：①生产率较高。其为多齿工作，旋转运动利于高速铣削。②刀齿散热条件较好。在刀齿铣削运动的圆周中，只有少部分时间切削，刀齿切离工件的时间内可以得到一定的冷却。③排屑比较容易。其切削过程为开放式。④容易产生冲击和振动。断续加工，铣削时每个刀齿的切削厚度是变化的，会产生切削冲击[1]。

铣削加工已在模具制造、航空航天、汽车及电子产品等加工业中得到广泛应用。随着铣削刀具和设备技术的发展，高速铣削技术在SGM（上海通用汽车）得到了广泛的应用。

2 变速器箱体类零件铣削刀具的选择和应用

2.1 变速器箱体类零件的工艺特点

变速器箱体类零件有变速器壳体、变扭器壳体及阀体等，如图1所示，它们都是铝合金材质，属于结构复杂的薄壁类零件。由于薄壁零件结构特殊，所以其在机械加工中所采用的加工工艺也区别于普通零件。加工变形是薄壁零件铣削加工的痛点，在加工过程中又受铣削振动影响，进一步削弱工件刚性，这些因素都会对零件加工精度造成直接或间接的负面影响，合适的铣削刀具及参数对产品质量尤为重要。

图1 变速器箱体类零件

2.2 铣削刀具应用原则

在变速器箱体类零件加工工艺中，铣削加工工艺占总加工工艺75%以上。以某A变速器壳体零件为例，铣削加工总路径长度约12800mm，加工总路径长度约16200mm，铣削总路径长度占比高达79%，提高铣削加工效率对节省加工时间及降低成本有非常重要的意义。在保证质量的前提下，提高铣削效率、降低成本，是工艺设计规划的主要原则。

（1）选用铣削速度快的刀具用于加工铝合金零件的常用刀具材质有硬质合金和人造金刚石（PCD）。与硬质合金刀具相比，PCD刀具具有硬度和耐磨性极高、摩擦系数低、弹性模量高、热导率高、热膨胀系数低以及与铝亲和力小等优点[2]，PCD刀具加工铝合金时铣削线速度可达到5000m/min。为了提高加工效率，尽可能选用PCD材质的刀具。实际生产证明，在大批量生产中，铣削刀具选用PCD材质比硬质合金刀具更具有单件成本优势。

（2）选用齿密度高的刀具铣刀齿数根据直径不同可分为粗齿、细齿和密齿三种。在排屑及切削力容许的情况下，尽可能选用细齿、密齿铣削刀具，以提高切除效率。

（3）减少铣削刀具数量由于铣削刀具加工效率较高，在极短时间内加工完零件的某一特征后，加工中心刀库里的下一把刀具可能尚未准备好，这样换刀有等待时间，导致非切削时间变长。因此，合理地选择铣削刀具覆盖加工多个特征，可以减少刀具数量，节省换刀时间。

（4）粗、精铣刀具分开由于对加工质量要求较高，因此将粗、精铣刀具分开，以兼顾加工效率和加工质量。这样做有以下好处[3，4]。

1）粗铣刀去除了毛坯的大余量，释放了零件内部应力，减小了零件变形对加工精度的影响。

2）粗铣刀进给大，节省加工时间。

3）粗铣刀去除了铸铝件表面较硬材料，减小了精铣刀具的冲击，提高了精铣刀寿命。

4）精加工切削深度小，切削力小，提高零件表面质量的同时还提高了零件的平面度质量。

2.3 铣削刀具应用案例

（1）小平面、侧面及孔加工在如图2所示的某变速器壳体零件加工特征中，有小平面、侧面需要铣削加工。侧面尺寸为R82mm的圆弧面，深度约32mm，选用侧切削刃长为35mm的非标铣刀，实现一次插补完成整个圆弧侧面加工。

图2 某变速器壳体零件加工特征

为了减少刀具数量，该非标铣刀同时用于加工小平面。因为小平面加工空间的局限性，该非标铣刀直径设计为25mm。基于切削力及刀具强度考虑，刀具设计为3齿。该应用中，刀具加工参数为：转速16200r/min，切削速度1293m/min，每齿进给量为0.15mm。

在该刀具可达区域里有直径32mm、深度22mm的通孔，可以用该铣刀侧刃进行插补铣削，插补轨迹如图3所示。用该铣刀加工该孔切削时间为0.9s，加上刀具移动时间0.5s，1.4s就完成了该孔特征加工。若用钻头加工，切削时间需要0.7s，加上换刀及快速移动时间4s，共需要花费4.7s。相比钻头加工工艺，用铣刀加工每节拍节省3.3s。

图3 铣刀插补铣削轨迹

（2）大平面加工对于大密封面，平面度要求＜0.05mm。由于零件属于薄壁件，为了满足平面度要求，夹具采用多点辅助支撑设计，刀具采用粗、精铣方案。

1）粗铣。粗铣刀采用Mapal高效率的PowerMill PCD铣刀，刀具直径160mm，齿数18。刀具加工参数为：转速4000r/min，切削速度2011m/min，每齿进给量0.14mm，切削余量约1.3mm，留0.2mm余量给精加工，以减小精加工的加工应力对产品加工精度的影响。

2）精铣。精铣刀（见图4）为PCD刀具，直径180mm，大于工件本体宽度，保证避免接刀纹产生。由于设备刀库的限制，所以刀具直径进行了削边处理，需要对刀片进行非等距排列设计。根据每齿的位置，齿尖到刀柄中心距离不等，保证每齿的进给量一致。

图4 精铣刀

该精铣刀配有2个修光刃铣刀片，修光刃刀片通过增设的修光刃与刀尖一起接触工件，增大接触面积，不仅提高了零件表面质量，而且提高了零件表面平面度。刀片修光刃长度b设计为1mm，为了减小修光刃刀片（见图5）对工件的摩擦力及垂直压力变形，修光刃设计成1.5°。

图5 修光刃刀片

采用顺铣的方式使铣刀的每个刀齿的切削厚度减小到零，减小刀片对已加工面的挤压摩擦，从而减小工件变形，提高加工精度。刀具加工参数为：转速4000r/min，切削速度2260m/min，每齿进给量为0.14mm。

实际应用结果：平面度＜0.03mm，工艺能力Ppk在3.0以上，表面粗糙度值Ra＜0.6mm。

（3）沟槽加工变速器壳体零件的活塞腔（见图6）有底部活塞槽及卡簧槽需要加工。

图6 活塞腔示意

1）活塞槽加工。活塞槽采用4齿成形刀具（见图7）直接加工到产品尺寸要求。和大面铣刀一样，因为刀库限制，所以刀具本体进行了削边处理；因为主轴抓刀质量限制，所以该刀具进行了轻量化处理。该铣削刀具直径和切削背吃刀量均比较大，所以加工过程中切削力较大，受制于设备的功率，该刀具选用了相对较低的转速。刀具加工参数为：转速2500r/min，切削速度1800m/min，每齿进给量0.16mm。

图7 活塞槽加工成形刀具

2）卡簧槽加工。加工精度要求最高的槽直径约226mm，其插补加工所用的铣刀直径93mm，6齿。刀尖以R65mm半圆插补切入，然后插补铣一圈直径226mm的圆槽，最后以R65mm半圆插补铣退刀，插补铣轨迹如图8所示。该刀具加工参数为：转速10000r/min，切削速度3519m/min，每齿进给量0.1mm。

图8 插补铣轨迹

（4）外圆加工在加工中心用刀具旋转加工工件外圆时，可以采用插补铣或者套铣。对加工表面要求高的外圆，插补铣难以满足加工质量要求，而且加工时间长。

在变速器壳体中，某特征外圆直径公差要求为±0.01mm，插补铣难以满足加工精度要求，所以采用PCD套铣刀具。因为该外圆对孔有同轴度要求，所以在该应用中，将镗孔刀具复合到了套铣刀具中间（见图9），提高加工效率的同时保证加工精度。该刀具加工参数为：转速5000r/min，切削速度1100m/min，每齿进给量0.1mm。该外圆直径尺寸实际工艺能力Ppk达3.0以上。

图9 套铣加工

（5）螺纹加工常规螺纹孔采用传统螺纹切削和螺纹挤压方式加工即可。在加工较大螺纹孔时，传统螺纹加工方式切削力过大，对设备功率扭矩要求高，此时应采用螺纹铣刀进行加工。螺纹铣削技术需利用数控机床的三轴联动功能，实现螺旋插补铣削，由机床控制刀具实现螺旋运动[5]。

在变速器箱体零件中，M20×2.5mm的螺纹孔采用了螺纹铣刀螺旋插补铣加工方案。刀具为标准的整体式硬质合金4刃螺纹铣刀，直径13.95mm。该整体式螺纹铣刀带螺旋排屑槽，刚性好，可以有效降低切削负荷，提高加工效率。

螺纹铣刀以R8mm半圆螺旋插补铣切入，然后螺旋插补铣一圈，最后以R8mm半圆螺旋插补铣退刀，如图10所示。在插补铣的过程中，刀具每插补铣一圈，同时轴向进给2.5mm，保证螺距2.5mm。该刀具加工参数为：转速4500r/m i n，切削速度197m/min，每齿进给量0.1mm，整个螺纹切削时间为3.1s。