机械加工中转角的影响分析与优化

2022-10-12齐东昱赵军祖兴隆

工具技术 2022年7期

齐东昱，赵军，祖兴隆

沈阳飞机工业(集团)有限公司

1 引言

零件的机械铣削加工过程可分为粗加工和精加工，粗加工目的在于去除大量余量并为精加工做准备，精加工的目的是为保证尺寸精度和表面质量，因此，粗加工会为精加工留有少许余量，以保证精加工时刀具可以高速平稳的切削。

由于转角结构的存在，铣刀在转角处的切削宽度会增大。因为粗加工后留有较小余量，所以在精加工时刀具的进给会很快，一旦在高速切削过程中出现过大的切削量，使机床主轴超出合理的负载，将会影响机床精度，加快刀具磨损，甚至产生刀具折断的现象，造成生产成本增加，从而降低加工效率[1]。因此，转角的余量分析与优化对零件加工的效率和质量具有重大意义。

2 研究对象与目的

切削宽度是指在切削过程中沿刀具进给方向的刀具切削宽度，在切削深度和进给量不变的情况下，切削宽度是唯一影响切削量的因素，零件结构多以直线或曲线段为主，并伴以转角等。在精加工过程中，切削直线段会占据大部分时间，因此，切削参数选择也以切削加工直线段为主。而转角结构会导致切削宽度增大，如果继续沿用直线段的切削参数，将对刀具造成损伤，产品质量难以保证，但如果降低参数，效率又会受到影响。因此，本研究针对典型的转角结构进行余量和切削量关系的分析及优化，使在转角处的切削量和直线段相近，以保证精加工的切削效率及质量。

以加工常见的90°转角为典型结构，针对转角处粗加工后留有的余量进行分析。现假设某一零件转角为R，在用直径为D(D=2R)的铣刀粗加工后，直角边与转角处都均匀留有宽度为a的余量(见图1)。其中，A轮廓为零件本体，B轮廓为粗加工后所留余量。

图1 刀具粗加工轨迹

3 转角余量的影响分析与优化

3.1 等规格刀具切削

选择与零件转角尺寸R规格一致的铣刀(直径D=2R)进行精加工，去除宽度为a的加工余量，刀具轨迹见图2。

图2 刀具轨迹

由于所选择的刀具半径和转角尺寸一致，所以刀具轨迹在转角处会有90°转折，因此，刀具的切削轨迹可分为C1和C2两段。由于C1段和C2段刀具的进给方向不同，因此分为C1和C2两段分析精加工过程中Ae的变化情况。

由图3可见，刀具沿C1路径进行切削时，刀具的进给方向为草图中垂直向下，刀具中心从T点加工至T1点时未切进转角，切削宽度Ae为余量宽度a；当从T1点经T2点运行至T3点过程中，切削宽度逐步增大，在到达T3点时，切削宽度达到最大，此时

整理可得

(1)

图3 切削草图

根据图4对C2段的切削宽度变化情况进行分析，刀具中心由T3点加工至T4点时，切削宽度可表示为

AeC2=a

(2)

对比式(1)和式(2)可得

所以T3处为切削整体过程中切削宽度最大处。

图4 C2段的切削宽度变化

以加工中常见结构为例，零件转角为R10，粗加工后留有1mm余量时，如果选用φ20的刀具进行精加工，在直线段切削宽度为1mm，但在转角处切削宽度最大可达14.4mm，为直线段切削宽度的14.4倍。切削宽度大幅增加会对刀具产生重大影响，极易发生刀具折断等现象，产品质量存在一定风险。

3.2 小规格刀具切削

选用与转角同规格的刀具不仅会使转角处切削宽度大幅增加，而且由于刀具轨迹在转角产生90°转折，即需要机床完成将刀具进给速度从高速降为0，然后将垂直方向的速度从0提升至高速。刀具在转角处的急停急动不仅对机床造成影响，还会对转角处的表面质量产生影响。考虑到以上因素，精加工的刀具采用比D小一级的D1(D1<2R)铣刀，此时刀具轨迹见图5。