王曉波 魏 勇 馬冬冬 付倩君 陳育武

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)空機(jī)械有限責(zé)任公司，北京 102200)

殼體的端面密封槽是整個(gè)殼體上重要的結(jié)構(gòu)之一，它直接影響密封圈的壓縮量與疲勞壽命，從而關(guān)系到整臺(tái)機(jī)器的密封性能。所以密封槽尺寸精度及粗糙度都有非常高的要求;端面密封槽結(jié)構(gòu)狹窄，截面形狀三面封閉，實(shí)際加工過(guò)程中刀具直徑受到結(jié)構(gòu)的限制，只能選擇小直徑的刀具，給定較小的背吃刀量和進(jìn)給量，造成效率低下，并且容易出現(xiàn)折刀的情況。高效加工出合格的端面密封槽是本文重點(diǎn)需要解決的問(wèn)題。

1 端面密封槽加工方法調(diào)研

筆者公司密封槽現(xiàn)行加工方式如表1 所示。針對(duì)筆者公司的產(chǎn)品性質(zhì)為多品種，小批量的特點(diǎn)，制作專用夾具和刀具在成本上得不償失，并且筆者公司零件的密封槽形狀多為異形槽，表1 中的2、3 方法只能加工回轉(zhuǎn)類的密封槽，所以這兩種方法未能被廣泛應(yīng)用。

在端面密封槽的加工過(guò)程中，刀具首次進(jìn)入密封槽時(shí)，就被完全嵌入工件，銑刀在進(jìn)刀時(shí)被工件包圍的角度達(dá)到最大180°，加工過(guò)程中只能減小加工參數(shù)，導(dǎo)致表1 中第1 種銑削法生產(chǎn)力的喪失。

表1

我們常說(shuō)一切切削都是力的作用。而銑刀的失效也同樣來(lái)自于切削力。同樣在我們分析銑刀切削力的時(shí)候往往會(huì)提到旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的切削力，而忽略進(jìn)給帶來(lái)的進(jìn)給力。我們從微觀的角度進(jìn)行分析，當(dāng)?shù)毒咝D(zhuǎn)至圖1 所示位置時(shí)，在極短的時(shí)間內(nèi)刀具相對(duì)工件瞬時(shí)靜止，此時(shí)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)仍在進(jìn)行，進(jìn)給力完全集中在刀具韌帶上指向圓心，進(jìn)給力達(dá)到峰值。所以這就解釋了表1 中的第1 種方法效率低下的原因，當(dāng)包圍角過(guò)大的時(shí)候，刀具的失效主要來(lái)自于進(jìn)給力。

經(jīng)以上分析，現(xiàn)行的3 種加工方法均不能達(dá)到高效加工的目的，那么我們到底怎樣能夠高效加工端面密封槽呢?

2 “擺線銑”高速加工中刀具受力分析

為了更加形象的描述表1 中的第1 種方法，筆者借用圖形進(jìn)行介紹。前面已經(jīng)提到刀具在進(jìn)行加工時(shí)主要受到2 個(gè)作用力(圖2)，分別是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所帶來(lái)的切削力和直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的進(jìn)給力。刀具自轉(zhuǎn)是產(chǎn)生切削的必要條件，所產(chǎn)生的切削力只能通過(guò)改變刀具角度等硬件來(lái)調(diào)整，所以我們不進(jìn)行展開(kāi)分析。然而根據(jù)圖3 所示，得知進(jìn)給力可以通過(guò)調(diào)整包圍角θ 的大小來(lái)調(diào)節(jié)，具體公式見(jiàn)公式(1)。當(dāng)θ 達(dá)到峰值180°時(shí)，刀具的進(jìn)給力達(dá)到峰值，符合以上分析的內(nèi)容;當(dāng)θ 達(dá)到最小值0°時(shí)，進(jìn)給力為0。

可見(jiàn)通過(guò)減小包圍角可以減小銑削進(jìn)給載荷，刀具按圖4 的走刀方式能夠進(jìn)行輕快切削。但對(duì)于我們要加工的密封槽，刀具直徑只比密封槽的寬度略小，在封閉的區(qū)域刀具首次進(jìn)入密封槽加工一周后余量基本被去除，所以我們要想辦法將首次進(jìn)入工件的刀路變換成圖4 的走刀路線才能實(shí)現(xiàn)高效加工。

擺線軌跡可以解決上述問(wèn)題。刀具在狹窄的密封槽內(nèi)沿圖5 走刀路線回轉(zhuǎn)前進(jìn)，刀具每擺動(dòng)一周向前一定的距離，這個(gè)距離只要小于刀具半徑，刀具被工件包圍的角度就會(huì)小于180°，這種走刀路線從微觀的角度上講就達(dá)到了與圖4 走刀路線一樣的效果，可以說(shuō)擺線走刀路線是的圖4 走刀路線的一種變形模式，通過(guò)刀具嵌入工件的深度減小，達(dá)到減小包圍角從而減小銑削載荷的目的。

3 具體案例加工策略的實(shí)施

工件端面密封槽的結(jié)構(gòu)與尺寸如圖6 所示，中心線周長(zhǎng)約170 mm。該零件材料為:1Cr17Ni2，抗拉強(qiáng)度:880～1 080 MPa，使用MAZAK410B 立式加工中心進(jìn)行加工。目前筆者公司主要的生產(chǎn)瓶頸在于粗加工的銑削方式，刀具(φ2 mm 立銑刀)從預(yù)置孔豎直下刀，背吃刀量0.25 mm，轉(zhuǎn)速6 000 r/min，進(jìn)給20 mm/min，粗加工完畢需要59 min。為改善此蝸牛般的加工效率，對(duì)該端面密封槽的銑削加工做出如下調(diào)整:

3.1 工步劃分

工步劃分及加工參數(shù)見(jiàn)表2。從表2 可以看出擺線銑加工方式在進(jìn)刀時(shí)與原來(lái)的加工方法不同，需要螺旋下刀，這樣可以為刀具第一次擺動(dòng)進(jìn)刀提供足夠的空間，避免刀具在大背吃刀量的情況下嵌入工件太深，受進(jìn)給力的作用而折刀。

從上面分析已知刀具由于減小了包圍角而降低了銑削載荷，所以銑削背吃刀量可以相應(yīng)增大，且增大銑削背吃刀量所帶來(lái)的銑削載荷增加要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于包圍角增大所帶來(lái)的影響，所以加工時(shí)采用1.1 mm 的銑削背吃刀量。

3.2 “擺線銑”在UGCAM 軟件中的具體設(shè)置

UGCAM 軟件提供了完美的3 軸加工解決方案，“擺線銑”切削方式(圖7)是UGCAM 軟件中高效加工的工法之一，這里簡(jiǎn)單介紹。根據(jù)以上分析的“擺線銑”加工特點(diǎn)，銑刀可以整切削刃加工，所以刀路無(wú)須分層，只需要在底部生成即可，這也為提高加工效率奠定了基礎(chǔ)。

表2

UGCAM 模塊中平面銑、型腔銑及面銑削三種工法具有擺線功能，這里使用面銑削進(jìn)行操作。參數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)圖8。刀具軌跡如圖9 所示。

通過(guò)采用“擺線銑”高速加工的粗加工銑削方法進(jìn)行加工，粗加工的時(shí)間從原來(lái)的59 min 縮短至10 min，加工效率提升了500%。

4 結(jié)語(yǔ)

“擺線銑”由于減小包圍角而減小了銑削載荷，所以它適合用于狹窄區(qū)域銑削及難加工材料銑削，刀具以圓弧切入切出，允許應(yīng)用小容屑槽刀具，提高刀具剛性，支持高線速度和進(jìn)給，在全切削刃銑削，刀具壽命不僅達(dá)到最大化，效率也遠(yuǎn)高于常規(guī)加工。

［1］陳大治.UGNX4 高級(jí)銑應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［2］劉雄偉.數(shù)控加工理論及編程技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［3］周澤華.金屬切削原理［M］.上海:上?？萍技夹g(shù)出版社，1984.