应用立式加工中心小批量插削盘形凸轮内孔平键槽的加工工艺*

2024-01-09成振洋何冰强

机电工程技术 2023年12期

成振洋，张勇，何冰强

（1.广州市轻工技师学院，广州 510220；2.广东机电职业技术学院，广州 510545）

0 引言

盘形凸轮内孔平键槽的底面与两侧面采用直角连接形式，用铣床类型设备结合铣刀的铣削法无法完成铣削平键槽的直角位[1]，目前大部分仍采用传统的电火线切割加工[2]，或采用专用机床插床插削[3]，也有的用拉床拉削[4]，这些方法均有不足之处，小批量加工键槽效率低、成本高。因此，研究利用铣床类型设备结合特制夹具、附件或刀具进行小批量加工内孔平键槽的高效加工工艺是机械加工行业相关从业人员的迫切需求。

国内外研究者对内孔平键槽加工工艺的探索研究不多。潘建新等[5]通过设计立式数控铣床附件机构，机构内部结构应用锥齿轮啮合传动原理，将铣刀竖向进刀改变横向进刀，实现铣削直角内孔键槽。吴龙飞等[6]利用卧式加工中心，设计制作辅助夹具连接角度头与卧式加工中心主轴，然后令角度头与刀具连接，通过角度头改变铣刀的进刀方向，从而实现铣削内孔键槽。陈榕林等[7]将普通立铣床的主轴旋转运动机构改装成插床的插削进给机构，将立式铣床主轴旋转运动变换为工作台间歇的进给运动，形成插削运动，实现插削内孔键槽。王顺军等[8]利用普通立式铣床，并定制成型刀具安装于铣床主轴上，通过手动控制工作台的上升及下降往复运动，插削内使用成型刀具加工内孔键槽。上述研究虽然都是利用铣床类型设备铣削或插削内孔键槽，但是都是投入较大成本设计机构、夹具或改装设备来实现内孔键槽加工。

本文从盘形凸轮零件的结构入手，分析内孔平键槽的形状特点，利用加工中心机床高速高效加工性能及编程逻辑，结合传统插削刀具的结构特征，提出使用立式加工中心，运用数控手工编程主轴定向、直线插补及循环运动指令，设计适用于立工加工中心刀柄的插刀，进行盘形凸轮内孔平键槽的数控插削加工实践分析，并对比所提加工工艺与传统加工工艺，分析其优劣性。

1 凸轮加工工艺分析

1.1 凸轮功能特点

盘形凸轮是凸轮机构的重要零件，凸轮机构一般应用于将旋转运动变成（驱动）直线往复运动的场合，但其从动件的行动不能太大，否则凸轮变化过大，对凸轮机构的工作不利，所以一般应用于行程较短的场合。盘形凸轮模型如图1所示。

图1 盘形凸轮模型

1.2 凸轮结构及传统工艺路线

本文的盘形凸轮是平面凹槽型盘形凸轮，零件是6063 铝质材料，外表面为圆柱形，端面有凸轮凹槽和带有直角键槽的通孔。内孔平键槽主要用于与键相配，用来安装键，并与轴相配，以传递扭矩。此类零件传统的加工工艺路线是：圆柱毛坯→数控车床车削外圆、钻内孔、控制总长→立式加工中心机床铣削凸轮槽→拉床拉削或插床插削内孔平键槽，共需要3道工序3种机床设备才能完成该零件的加工。盘形凸轮零件图如图2所示。

图2 盘形凸轮零件图

2 凸轮内孔平键槽加工工艺改进

由于传统加工工艺需要多工序多机床设备，每道工序的流转均需要耗费时间，且该零件键槽宽度尺寸公差达到0.03 mm，表面粗糙度Ra=3.2 μm，精度要求较高。本文基于当前定制化刀具成本下降、便捷，综合考虑零件材质、精度要求、加工效率及成本，提出改进盘形凸轮内孔平键槽的加工工艺，不再采用拉床拉削或插床插削键槽，而是沿用上一道工序铣削凸轮槽的立式加工中心机床设备和夹具进行插削。

2.1 设备选用分析

加工内孔平键槽的常用工艺为拉床拉削、插床插削或电火花线切割机床切割内孔平键槽，而本文提出选用立式加工中心机床插削。内孔平键槽加工设备分析对比如表1所示。

综合分析对比，选用立式加工中心机床插削此类内孔平键槽时效及性价比较优，但由于插削是刀具垂直往复运动，并且刀具不产生旋转切削材料，只是依靠插刀刀尖碰撞切削材料，切削过程会产生振动，需要重复定位精度稳定、强度高、承载能力强的机床才能保证加工要求。因此，可选用硬轨式的立式加工中心机床进行插削加工，其导轨接触面积大、摩擦力大、承受负荷能力强，机床运行更加平稳。另外，目前市场上用于立式加工中心的插刀较少，型号规格可选范围较少，因此加工此类型内孔平键槽可以定制成型插刀以提高生产效率。

2.2 插刀设计

（1）刀杆外形选用

由于加工中心常用刀柄为BT40刀柄，可提供较大的加持力，同时防止后期刀具钝化后导致刀具轴向后移，因此加工中心所用的插刀刀杆需设计为圆柱，与传统插床插刀外观形状有较大不同。

（2）刀具材质

本盘形凸轮材质为6063 铝材，材质较软，因此刀具材质选用W18Cr4V 高速钢，俗称钨系高速钢。它是一种合金元素（W、Cr、V 等）含量极高的钢材，具有较高的红硬性和硬度，同时回火稳定性及耐磨性也非常好，广泛应用于制造直升机零部件加工用金属切削刀具[9]。其热处理范围较宽，淬火不易过热，热处理过程不易氧化脱碳，磨削加工性能较好，此类钢材在500 ℃及600 ℃时硬度分别保持在HRC63～64 及HRC62～63，对于铝质材料具有良好的切削性能，在插削铝件时刀具具有锋利、不易粘刀，耐用度高，后期刀刃磨损后可进行多次修磨的特点。

（3）刀刃设计

插削的方式类似刨削的加工方式，只是切削方向不同，因此插刀刀刃参数按刨刀的方式设计。插刀属于单刃刀具，与刨刀相比，插刀的前面与后面位置对调，为了避免刀杆与工件已加工表面发生碰撞，其主切削刃偏离刀杆正面，插刀的几何角度一般是前角r为0°～12°，后角α为4°～8°。因此，根据被加工键槽形状及尺寸，取刀具前角r=9°，可以使刀具锋利，散热更好；后角取α=5°，取中下限值可以让刀具刚性更好。在刀具主切削刃两边棱角采用0.2°的倒角，可以使刀尖散热更好尺寸更稳定，且刀尖更耐磨。为增加刀具整体的刚性，将刀杆与刀刃连接的前段设计为圆柱形，且能与零件内孔底孔避开干涉，在不影响刀具下插内孔的情况下，通过计算得出最大圆柱直径为ϕ12 mm。在刀具外圆柱面设计一处平面，方便刀具装在机床主轴时找正定位。插刀模型如图3所示，插刀设计图如图4所示。

图4 插刀设计图

2.3 夹具选用

盘形凸轮外形结构属于回转体类，且零件为小批量的铝质材料，材料硬度95HB，非高硬度材料。因此，一般加工凸轮槽和内孔平键槽时，选用通用夹具自定心三爪卡盘，并配套反爪夹持零件，这样自定心三爪卡盘中心一致、装夹零件快速、实用性强。盘形凸轮内孔平键槽插削加工装夹如图5所示。

图5 盘形凸轮插削加工装夹

3 凸轮内孔平键槽插削程序编写

3.1 关键插削程序指令选用及路线拟定

插削是插刀相对工件作往复直线运动的主运动且工件作进给运动的机械加工方式，插削内孔平键槽时机床主轴不能旋转，因此加工程序中需要使用M19 主轴定向。需要注意的是，由于不同机床的参数不同，主轴定角度后偏置的坐标轴是不一样的（有的是X轴，有的是Y轴)，运行程序前一定要明确机床的偏置方向[10]，还要找正插刀杆侧面，使插刀与径向进给轴平行，与键槽方向一致[11]。另外用G00 快速定位，用G81 钻孔固定循环指令可省去很多动作，若使用常用编程指令编写孔加工程序则十分麻烦[12]。因此，采用M19、G00、G81 等关键指令进行编程，最终形成由8 个动作组成的插削内孔平键槽固定循环动作，分别为：（1）X、Y、Z 轴快速定位；（2）快速运行到初始平面；（3）快速运行到R平面；（4）快速插削键槽；（5）到达设定深度；（6）快速返回到R平面；（7）X轴向增量移动进给背吃刀量；（8）循环重复步骤（4）～（7）进行插削加工，直至达到设定X轴向点停止插削返回安全高度。盘形凸轮内孔平键槽插削加工循环动作如图6所示。

图6 插削循环动作示意

3.2 切削参数选用

根据刀具质材及零件质材，查阅《金属切削刀具设计手册》[13]及刀具制造商提供的插刀切削参数，确定了插削内孔平键槽切削参数可选范围：径向切深ap为0.02～0.07 mm，切削进给速度F为1 200～2 500 mm/min。经过多次加工试验得出径向切深ap=0.06 mm，切削进给速度F=2 000 mm/min的综合时效较优。

3.3 插加工数控程序编写

根据选定的设备、夹具、刀具、切削参数，以FANUC 数控系统[14]为例进行编程，具体加工程序如表2 所示。

表2 内孔平键槽插削加工数控程序

4 加工效果对比

本文使用的立式加工中心具备工序高度集成的功能，可确保各加工环节有序推进[15]。本工艺通过该设备解决插削盘形凸轮内孔平键槽，同时还能在该设备上进行铣削盘形凸轮及内孔，工序集中，减少了零件加工装夹次数，且加工中心机床的切削速度可达到15～100 m/min，一般尺寸精度达到0.01 mm，表面粗糙度可达0.63 μm。而传统加工工艺采用拉床拉削，其切削速度一般较低（小于18 m/min），但加工精度较高，一般拉孔尺寸精度公差等级可达到IT7-IT8，表面粗糙度为0.4～0.8 μm;另插床插削的切削速度快于拉削，一般为15～25 m/min，但加工精度低于拉削，尺寸精度公差等级一般为IT7-IT9，表面粗糙度为3.2～6.3 μm，且2 种传统加工艺设备属于专用加工设备，加工功能单一，适合中、大批量零件生产加工，对于小批量加工生产成本较高。3 种加工工艺的加工内容、加工精度、加工时间对比如表3 所示。由表可知，采用立式加工中心加工盘形凸轮的内孔平键槽效果最佳，既能加工零件多个部位，减少零件加工工序流转时间，又能达到精度要求。