空間圓角銑削加工技術

童勇智，王逢濤，金許濤，楊天峰，張舒云，蘭忠杰

陜西柴油機重工有限公司 陜西興平 713105

1 序言

罩殼一般作為密封件，在裝配前需經過氣、水等壓力試驗，確保該產品不會出現滲漏，以保證其裝配使用的密閉性，多為整體鑄件或焊接件，形狀復雜、結構多變、大小不一、內部呈腔形、壁薄且不均勻。在生產制造中，既有精度要求較高的孔系、密封槽和平面，也有許多異形圓角、凸臺和不規則曲面等，加工制造難度大[1]。

2 零件結構和工藝分析

2.1 零件結構分析

該罩殼屬于箱體類零件，是一個半封閉式的多面體，空腔、內壁不均勻，結構多為不規則，主要用于保證機體內整潔、降低機體在工作過程中產生的噪聲，同時可以起到美化外觀的作用。在機械加工中，加工要素多，加工量大，結構不規則，致使工藝復雜[2]。

2.2 工藝分析

罩殼：毛坯為整體鑄鐵件，表面質量要求嚴，材料不易加工，刀具磨損快，空間曲面加工難度大。罩殼零件如圖1所示，在法蘭背面有左、右兩邊圓弧，中間由14m m筋板隔開，左右為對稱結構，上下單邊留有側邊，表面粗糙度值R a＝1.6μm。

圖1 罩殼工藝要求

2.3 難點分析

該罩殼屬于箱體類零件，材料QT400-15為球墨鑄鐵件，強度高、韌性好，具有耐磨、吸振和抗氧化的特點，但是切削加工性能差。根據圖樣要求，連接法蘭背面需要全部加工。其中圓弧左右對稱分布，中間由筋板隔開，加工圓弧曲面整體垂直于刀具軸線，加工曲面時需把刀具幾何尺寸擬合到曲面刀路中，才能保證最終曲面的型線符合工藝要求。如圖1筋板厚度為（16±0.025）mm、（14±0.02）mm、根部圓角R（82.5±0.025）mm，加工精度高、表面質量要求嚴格。由于法蘭背面被筋板隔開，因此使用三面刃銑刀或者車床會發生干涉，無法加工[3]。

3 工藝流程與數控加工方法

3.1 加工方法

該零件圓弧曲面雖為回轉面，但其形狀和結構為箱體類零件（見圖2），故不適用于選擇車削類機床。法蘭背面由3個筋板隔開，根部圓角過渡，背面、正面尺寸精度和表面粗糙度要求高，可選擇在三軸與多軸銑床上加工。在多軸加工中，由于刀具和工件的相互位置在加工中隨時變化，所以可一次裝夾完成全部加工，獲得最優的加工條件。但其采購成本和軟件成本遠遠高于三軸，維護和保養成本過高，對于操作人員的操作技能要求也較高，致使勞動成本過高。三軸機床中刀軸矢量不變，在Z軸的法相面內加工，使用聯動擬合可以完成空間曲面加工，而且可以獲得更好的系統剛性。由于該產品為大件、小批量生產方式，所以無需定制工裝，采用現有通用等高墊塊及下壓式壓板進行定位裝夾，即可滿足此產品的生產需求。經現場測量機床銑頭、分析罩殼加工要素，可以選用球頭銑刀在ZY平面內，沿著Z軸方向在空間提升出曲面圓角，以獲得更好的曲面加工精度、質量和效率，以及最佳的性價比。

圖2 罩殼毛坯

3.2 刀具方案

刀具的選擇和切削用量的確定是數控加工工藝中的重要內容，不僅影響數控機床的加工效率，而且直接影響加工質量，同時使整個加工成本變化。結合機床的特點、工件材料的性能、裝夾和工藝要求，選取三面刃銑刀、立銑刀和球頭銑刀進行加工。由于法蘭背面三段筋板均勻間隔90°，因此使用三面刃銑刀反銑筋板根部殘余較多，可以利用立銑刀側刃沿著圓弧方向全部加工。根部圓弧曲面為立體型面，從下向上形成，應采用半徑小于或等于曲面最小曲率半徑的球頭刀具進行插補銑削。經測量毛坯單邊6mm余量較大，為了保證加工剛性與效率，選用圖3所示規格為φ20mm×80mm×150mm×4F（YT）立銑刀和R10mm×80mm×150mm（YT）球頭銑刀。

圖3 立銑刀（下）與球頭銑刀（上）

3.3 切削方案

在切削加工中，根據工件的實際加工情況，為保證加工圓角曲面的精度和表面粗糙度，由下向上采用順銑依次銑削。將刀具起點和刀具設定點分開。在確保安全的前提下，刀具起點應盡可能靠近工件，以減少空轉刀具行程，縮短進給路徑，并節省加工過程中的執行時間。由于毛坯余量較大，因此應采用循環的加工方法按圖4依次銑削，在YZ方向上逐漸去除余量，給精加工預留0.2mm余量, 期間注意進給和退刀點應垂直于Z軸方向，進給速度不能為“ G0”，“ G0”命令應避免“Y、Z”同時移動。

圖4 走刀路線

刀具切削參數選用：φ20mm立銑刀，刀具材質支持線速度vc為90～120m/min，背吃刀量ap為0.3～2mm，進給量fz為0.07～0.3mm/z。

R10mm×80mm×150mm（YT）球頭銑刀，刀具材質支持線速度vc為120～150m/min，背吃刀量ap為0.3～0.8mm，進給量fz為0.11～0.18mm/z。

因毛坯為整體鑄件，受鑄造工藝影響，毛坯表皮偶有硬點、氣孔和夾砂等情況。為了降低質量風險，保證切削穩定性，經過試件調試驗證，最終φ20mm立銑刀切削參數選用為vc＝92m/min，n＝1465r/min，ap＝1.5mm，fz＝0.07mm/z，vf＝410m m/m i n；R10m m球頭銑刀切削參數選用為vc＝130m/min，n＝2070r/min，ap＝0.5mm，vf＝228mm/min。經過一批次12件加工，運用上述切削參數，加工質量和穩定性較好、刀具耐用。

3.4 編制程序

根據零件圖樣幾何尺寸，計算刀具中心運行軌跡數據。由于圓弧曲面在YZ平面內，所以使用球頭銑刀加工時，需要計算接觸點坐標值，通過點位逼近來完成R82.5mm圓弧銑削。數值計算的最終目的是為了獲得編程所需要的所有相關位置坐標數據。根據圖5通過三角函數計算Y、Z坐標值：Y＝Rcosα，Z＝Rsinα。

圖5 坐標計算原理

在編制Heidenhain數控程序時，設Q1＝17為起始角度，Q2＝0.1為角度增量，Q3＝+76.5為終止角度，Q4＝92.5（R＝82.5+10）為圓弧半徑，Q1＝Q1 + Q2為角度增加變量。程序編制完成后，在正式用于生產加工前，必須進行程序運行檢查。在特殊情況下，還需做零件試加工檢查。根據檢查結果，對程序進行修改和調整，檢查修改再檢查再修改，這往往要經過多次反復，直到獲得完全滿足加工要求的程序為止。

4 調試加工與檢驗

程序中曲面圓角的加工原點為法蘭中心，即G54中的X0、Y0、Z0在法蘭的上表面。使用尋邊器X向、Y向分中后，把機械坐標輸入到對應的G54里。Z向用心棒或基準刀與法蘭外圓貼合后，計算Z值輸入到G54里。加工前讓機床空運行，以檢查刀具運動軌跡的正確性。調試中可根據實際情況，適當調整加工中的主軸轉速和進給倍率（加工過程見圖6），以達到最佳切削性能。首件完成后送檢三坐標計量儀計量線性尺寸、幾何公差和表面粗糙度，檢測結果符合工藝要求。

圖6 曲面圓角加工

5 結束語

通過球頭銑刀的特殊運用，經過多次嘗試試驗，最終確定了加工該罩殼曲面的工藝方案，成功解決了罩殼空間圓弧曲面難加工、加工要素多、加工精度高及表面粗糙度要求嚴格等難點問題。確保了罩殼加工的正確性，提高了加工質量的可控性和穩定性，最終形成批量生產能力。同時該方法具有廣泛的實用性，可為同類曲面加工應用提供幫助與借鑒。