談盲孔內(nèi)反倒角加工工藝

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關(guān)鍵詞：盲孔；反倒角；機(jī)械加工

引言

機(jī)械加工行業(yè)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，已經(jīng)形成了許多非常完善的加工方法，如車(chē)、鉗、銑、刨、磨等，這些加工方法單獨(dú)應(yīng)用或相互組合，可以完成許多零件特征，如孔、槽、曲面等的加工。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)零件時(shí)所設(shè)計(jì)零件的特征也是從這些可加工特征中進(jìn)行選取，以保證零件的工藝性。但在某些特殊情況下，為保證零件的功能，設(shè)計(jì)人員會(huì)設(shè)計(jì)出一些反常規(guī)的零件特征，這些零件特征用常規(guī)方法無(wú)法加工，如果采用3D打印等方式進(jìn)行零件制造，由于零件所有特征中只有一個(gè)或幾個(gè)特殊特征，即特殊情況占比太低，使用3D打印制造性?xún)r(jià)比不高；其次，3D打印作為一種全新的加工方法，目前制造成本偏高，而效率又很低，如果用于零件制造，尤其是批產(chǎn)零件的制造，成本和效率都無(wú)法承受；再之目前3D打印所能加工的材料性能不佳，不一定能夠滿(mǎn)足零件的使用要求。以上三個(gè)難點(diǎn)限制了新方法在零件加工中的應(yīng)用，針對(duì)零件特殊特征的具體情況，需要有針對(duì)性的采取一些改進(jìn)措施，以確?？梢栽谑褂脗鹘y(tǒng)機(jī)械加工設(shè)備和工具的條件下，或者僅對(duì)設(shè)備或工具進(jìn)行一定成本可控的改進(jìn)的條件下，就可以完成零件的加工。這樣不但可以保證零件的使用性能，而且可以有效的大幅降低零件的加工成本，提高加工效率，保證零件的使用性能。本文介紹了一種有盲孔零件，在盲孔內(nèi)有反倒角，使用普通方法無(wú)法加工。通過(guò)對(duì)零件特征進(jìn)行分析，最終采取了通過(guò)改制刀具，并結(jié)合數(shù)控程序，在加工中心上完成了反倒角的加工，經(jīng)檢驗(yàn)加工后的零件特征完全符合要求。該方法不但有效解決了零件加工的難題，也為其他類(lèi)似問(wèn)題提供了解決思路。

1零件介紹

某零件該零件為一閥類(lèi)零件，結(jié)構(gòu)尺寸為90mm×200.6mm×227.5mm，材料為鋁，整體質(zhì)量為2.37kg，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在圖2主視圖中A-A剖視符號(hào)位置有三個(gè)孔，為壓力油油口，主視圖及A-A剖視圖如圖2和圖3所示。從主視圖可以清楚的看到三個(gè)壓力油孔在整個(gè)零件上所處的位置。在三個(gè)壓力油孔中分別有3個(gè)直徑各自為準(zhǔn)18.5mm、準(zhǔn)20.5mm和準(zhǔn)16.5mm的槽用于安裝密封件。原設(shè)計(jì)中槽口未設(shè)計(jì)倒角，在產(chǎn)品裝配過(guò)程中因槽口未設(shè)計(jì)倒角，導(dǎo)致其內(nèi)部裝配的密封件被銳邊剪破而失去密封性。后期為保證密封件使用時(shí)的安全，在槽口設(shè)計(jì)了C1的倒角，以保證密封件使用時(shí)的安全。在零件加工時(shí)，這三個(gè)孔內(nèi)的倒角可以分成兩類(lèi)，其中倒角法向方向向上的3個(gè)倒角的加工比較簡(jiǎn)單；但在槽上方的三個(gè)法向方向向下的倒角，由于方向原因難以加工，最初是由鉗工手工加工，但鉗工加工一是效率很低，加工出的倒角外觀和質(zhì)量都很差，因此考慮能不能使用機(jī)床完成倒角的加工。

2結(jié)構(gòu)分析

反倒角是否加工困難和零件的具體情況有關(guān)，有些情況就不難加工。例如對(duì)于回轉(zhuǎn)體中心線(xiàn)上內(nèi)部的反倒角，如軸上孔內(nèi)部的類(lèi)似結(jié)構(gòu)，使用數(shù)控車(chē)床就很容易加工。但從零件的結(jié)構(gòu)可以看出，本文的零件有個(gè)五問(wèn)題限制了加工方法的應(yīng)用：（1）零件整體大體呈方形；（2）零件整體尺寸和結(jié)構(gòu)重量都很大；（3）孔的尺寸相較于零件整體尺寸太小；（4）孔的位置在零件的邊緣；（5）零件上共有三個(gè)這樣的孔，每個(gè)孔的位置都不相同，情況不一致。因此對(duì)于這種零件來(lái)說(shuō)，如果在數(shù)控車(chē)床上加工孔需解決的問(wèn)題極其復(fù)雜。因此排除了使用數(shù)控車(chē)床加工的可能性，從現(xiàn)有機(jī)床條件考慮是否可以在數(shù)控銑床上完成零件的加工。對(duì)單個(gè)孔，由于都是盲孔，因此對(duì)倒角的加工只能在孔口一側(cè)進(jìn)行。又由于該側(cè)孔口直徑小而孔內(nèi)直徑大，普通的反倒角刀由于尺寸太大，存在干涉現(xiàn)象均無(wú)法使用，因此考慮其他工藝方法對(duì)反倒角進(jìn)行加工。

3加工工藝方案

經(jīng)過(guò)對(duì)零件及孔的結(jié)構(gòu)分析可以發(fā)現(xiàn)，三個(gè)孔的結(jié)構(gòu)相似，三個(gè)孔可以共用同一個(gè)加工方法，但孔的位置不同，在加工時(shí)刀具在三維方向上需要改變?nèi)齻€(gè)不同的位置，車(chē)工加工刀具只能在兩個(gè)軸上移動(dòng)，但銑工加工時(shí)刀具可以自由在三個(gè)軸上自由移動(dòng)，考慮到孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，最終確定此次加工在三軸數(shù)控加工中心上完成[1]。在加工刀具的選擇上，加工反倒角時(shí)最大的難度在于刀具的切削刃均在刀具的底面或側(cè)面，所加工的面的法向方向應(yīng)和刀具相對(duì)，但反倒角面的法向方向和刀具方向相同，因此刀具的切削刃無(wú)法接觸到加工面。同時(shí)受孔內(nèi)結(jié)構(gòu)的限制，三個(gè)孔中孔口直徑最小的只有11mm，倒角到槽壁的單邊距離只有2mm左右，槽的寬度只有5mm，普通刀具在孔內(nèi)不管如何移動(dòng)均無(wú)法完成反倒角的加工，甚至?xí)土慵l(fā)生碰撞造成事故。想要加工反倒角，只有設(shè)計(jì)制造專(zhuān)用刀具才能滿(mǎn)足加工對(duì)刀具的要求。通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)刀具改制使刀具具備了反向切削能力，并使刀具其他部分的尺寸滿(mǎn)足加工的需求。由于孔口的最小的孔直徑只有11mm，因此改制刀具的直徑最大也只能取11mm。因刀具尺寸過(guò)小，無(wú)法改制成太復(fù)雜的形狀，這決定了必須精確控制刀具在孔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡使用插補(bǔ)加工的方式。因此加工方案中須涉及控制刀具在孔內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)控程序。

4刀具改制

由于孔內(nèi)的空間比較狹小，要防止刀具在加工中發(fā)生碰撞造成事故，刀具的尺寸必須嚴(yán)格限制，尺寸方面主要有以下四點(diǎn)要求：（1）刀具的最大直徑不能超過(guò)11mm，以方便進(jìn)入孔中；（2）刀具要頭大脖子細(xì)，防止加工反倒角時(shí)刀柄和孔口發(fā)生碰撞；（3）刀具切削刃長(zhǎng)度不能超過(guò)5mm，防止和零件發(fā)生碰撞；（4）刀具的直徑要盡可能大，提高刀具剛性，同時(shí)也為改制提供足夠的空間。由于普通銑刀外形為圓柱型，刀具直徑從上到下均一致，改制方便，同時(shí)銑刀的側(cè)齒有切削能力，因此選擇銑刀作為改制刀具的原料，圖4即為改制刀具的設(shè)計(jì)圖紙。將刀具后段的切削刃磨掉一部分，可以在刀具的上部加工出用于反向切削的切削刃，這樣刀具就可以對(duì)孔內(nèi)的反倒角進(jìn)行加工。同時(shí)，磨掉切削刃的部分直徑小于切削刃，可以避開(kāi)孔口，在切削刃部分對(duì)反倒角進(jìn)行加工時(shí)，刀桿部分不會(huì)發(fā)生干涉；同時(shí)切削刃部分要用線(xiàn)切割切短，只保留4mm長(zhǎng)度，以保證不會(huì)與零件發(fā)生碰撞。刀具的選擇和改制，除了要注意刀具的尺寸防止發(fā)生碰撞外，還需注意以下五點(diǎn)：（1）刀具材料的硬度要好，防止刃部被加工后刀具整體的剛性發(fā)生較大變化，從而對(duì)加工過(guò)程造成不利的影響；（2）刀具磨細(xì)的部分在滿(mǎn)足反倒角加工需要的前提下，尺寸要盡可能的大一些，以保證刀具剛性；（3）磨細(xì)部分的根部要盡可能的保留圓角過(guò)渡，以避免應(yīng)力集中；（4）刀尖部位磨出不大于R0.5mm的圓角，這樣加工出的反倒角粗糙度更好；（5）刀具的側(cè)齒要修磨鋒利或條件允許的情況下最好選用新刀進(jìn)行改制，由于在加工過(guò)程中側(cè)齒也要參與到銑削過(guò)程，而且這樣改制的刀具是無(wú)法加工底齒的，所以鋒利的側(cè)齒可以盡可能保證加工質(zhì)量，提高加工效率。這五點(diǎn)事項(xiàng)結(jié)合尺寸方面的四點(diǎn)要求，最終匯成改制刀具的九點(diǎn)要求，根據(jù)這九點(diǎn)要求，最終選定使用直徑為10mm的銑刀進(jìn)行改制。

5數(shù)控程序編制

由于此次加工是在盲孔內(nèi)進(jìn)行，在程序運(yùn)行過(guò)程中操作者無(wú)法對(duì)程序的運(yùn)行進(jìn)行直觀監(jiān)控，因此在數(shù)控程序編制上，要盡可能的做到程序易讀、易調(diào)試、易修改?？紤]到使用為非標(biāo)刀具，一些尺寸參數(shù)還需要調(diào)試，因此在編制程序時(shí)，將這些因素作為可變量寫(xiě)入數(shù)控程序中，方便操作者根據(jù)不同的情況進(jìn)行快速的調(diào)整。得到的數(shù)控程序如下[2]：在程序中，所有描述特征以及加工中需要調(diào)整的參數(shù)都以變量的形式進(jìn)行了定義，變量#1定義為反倒角上端到零件上表面的距離，#2定義為孔口直徑，#3定義為切削刃的長(zhǎng)度，#4定義為刀具半徑，#5定義為倒角的角度，這樣操作者的在使用和調(diào)試程序時(shí)可以大大簡(jiǎn)化工作量，具體的操作流程是如下：在對(duì)刀過(guò)程中，操作者只需要將對(duì)刀點(diǎn)對(duì)到刀具底部，再根據(jù)刀具的實(shí)際切削刃長(zhǎng)度修正#3值，即可保證刀具的加工點(diǎn)在軸向方向上對(duì)到了切削刃的上表面。最后根據(jù)程序說(shuō)明調(diào)整其他變量，即可進(jìn)行加工；文中程序的參數(shù)是對(duì)準(zhǔn)11mm孔中的反倒角進(jìn)行加工時(shí)的參數(shù)設(shè)置，只需對(duì)相應(yīng)的變量進(jìn)行調(diào)整，即可快速轉(zhuǎn)換成加工另兩個(gè)孔內(nèi)反倒角的程序。程序操作簡(jiǎn)單快捷，而且易于修改調(diào)試。另外，由于程序中對(duì)特征的描述都是參數(shù)化的，因此在加工其他參數(shù)不同的相似特征時(shí)，如角度或尺寸發(fā)生變化，只要刀具尺寸滿(mǎn)足加工要求，只需對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行修改即可快速應(yīng)用于其他類(lèi)似結(jié)構(gòu)的加工。

6方法分析

該方法可以高效快捷的完成零件反倒角的加工，并且改制成本較低。經(jīng)實(shí)際加工并對(duì)實(shí)驗(yàn)零件剖切檢查驗(yàn)證，所加工C1倒角實(shí)際加工結(jié)果在C1.03~C1.1之間，粗糙度經(jīng)對(duì)比接近Ra3.2，經(jīng)驗(yàn)判斷可以達(dá)到Ra4左右，由于粗糙度和程序步進(jìn)的參數(shù)有關(guān)，Ra4已滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，因此無(wú)必要繼續(xù)縮小程序步進(jìn)的參數(shù)，否則會(huì)降低加工效率；如果粗糙度值不滿(mǎn)足要求，只需進(jìn)一步縮小步進(jìn)參數(shù)即可。該方法是零件反倒角加工的一種低成本解決方案，可推廣到其他類(lèi)型結(jié)構(gòu)的加工。但存在一定限制，主要有以下三點(diǎn)：（1）加工能力受反倒角和孔的尺寸比例限制，由于刀具要避開(kāi)孔口，所以刀具的上部分要被磨細(xì)，如果反倒角尺寸過(guò)大，則刀具無(wú)法避開(kāi)干涉，因此反倒角的尺寸一般不能大于入口最小尺寸的四分之一，否則無(wú)法按此工藝方案改制刀具；（2）槽的寬度有限制，如果槽的寬度太窄，則刀具需做的很薄，改制后的刀具無(wú)法保證足夠的剛性以保證加工順利；（3）反倒角的位置有限制，反倒角距離孔口越近，則刀具剛度越好，越利于加工；反之如果反倒角距離孔口越遠(yuǎn)，則刀具懸出長(zhǎng)度越長(zhǎng)，剛性降低不利于加工；反倒角距離孔口的距離超過(guò)銑刀切削刃長(zhǎng)度時(shí)，刀具無(wú)法按此工藝方案進(jìn)行改制，也無(wú)法完成反倒角的加工。因此如果碰到以上三種情況，則該方法無(wú)效，還需對(duì)具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體分析，嘗試新的工藝方法完成零件的加工。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃冰，李勝.銑工工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]杜軍.FANUC數(shù)控編程手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.

作者：翟建偉 單位：中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院