劉金衛(wèi)

上汽通用汽車有限公司 上海 201206

1 序言

銑削加工是一種常用的機(jī)加工方式，銑削加工因?yàn)槭嵌帻X工作，具有以下特點(diǎn)：①生產(chǎn)率較高。其為多齒工作，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)利于高速銑削。②刀齒散熱條件較好。在刀齒銑削運(yùn)動(dòng)的圓周中，只有少部分時(shí)間切削，刀齒切離工件的時(shí)間內(nèi)可以得到一定的冷卻。③排屑比較容易。其切削過(guò)程為開(kāi)放式。④容易產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)。斷續(xù)加工，銑削時(shí)每個(gè)刀齒的切削厚度是變化的，會(huì)產(chǎn)生切削沖擊[1]。

銑削加工已在模具制造、航空航天、汽車及電子產(chǎn)品等加工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。隨著銑削刀具和設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，高速銑削技術(shù)在SGM（上海通用汽車）得到了廣泛的應(yīng)用。

2 變速器箱體類零件銑削刀具的選擇和應(yīng)用

2.1 變速器箱體類零件的工藝特點(diǎn)

變速器箱體類零件有變速器殼體、變扭器殼體及閥體等，如圖1所示，它們都是鋁合金材質(zhì)，屬于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁類零件。由于薄壁零件結(jié)構(gòu)特殊，所以其在機(jī)械加工中所采用的加工工藝也區(qū)別于普通零件。加工變形是薄壁零件銑削加工的痛點(diǎn)，在加工過(guò)程中又受銑削振動(dòng)影響，進(jìn)一步削弱工件剛性，這些因素都會(huì)對(duì)零件加工精度造成直接或間接的負(fù)面影響，合適的銑削刀具及參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量尤為重要。

圖1 變速器箱體類零件

2.2 銑削刀具應(yīng)用原則

在變速器箱體類零件加工工藝中，銑削加工工藝占總加工工藝75%以上。以某A變速器殼體零件為例，銑削加工總路徑長(zhǎng)度約12800mm，加工總路徑長(zhǎng)度約16200mm，銑削總路徑長(zhǎng)度占比高達(dá)79%，提高銑削加工效率對(duì)節(jié)省加工時(shí)間及降低成本有非常重要的意義。在保證質(zhì)量的前提下，提高銑削效率、降低成本，是工藝設(shè)計(jì)規(guī)劃的主要原則。

（1）選用銑削速度快的刀具 用于加工鋁合金零件的常用刀具材質(zhì)有硬質(zhì)合金和人造金剛石（PCD）。與硬質(zhì)合金刀具相比，PCD刀具具有硬度和耐磨性極高、摩擦系數(shù)低、彈性模量高、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低以及與鋁親和力小等優(yōu)點(diǎn)[2]，PCD刀具加工鋁合金時(shí)銑削線速度可達(dá)到5000m/min。為了提高加工效率，盡可能選用PCD材質(zhì)的刀具。實(shí)際生產(chǎn)證明，在大批量生產(chǎn)中，銑削刀具選用PCD材質(zhì)比硬質(zhì)合金刀具更具有單件成本優(yōu)勢(shì)。

（2）選用齒密度高的刀具 銑刀齒數(shù)根據(jù)直徑不同可分為粗齒、細(xì)齒和密齒三種。在排屑及切削力容許的情況下，盡可能選用細(xì)齒、密齒銑削刀具，以提高切除效率。

（3）減少銑削刀具數(shù)量 由于銑削刀具加工效率較高，在極短時(shí)間內(nèi)加工完零件的某一特征后，加工中心刀庫(kù)里的下一把刀具可能尚未準(zhǔn)備好，這樣換刀有等待時(shí)間，導(dǎo)致非切削時(shí)間變長(zhǎng)。因此，合理地選擇銑削刀具覆蓋加工多個(gè)特征，可以減少刀具數(shù)量，節(jié)省換刀時(shí)間。

（4）粗、精銑刀具分開(kāi) 由于對(duì)加工質(zhì)量要求較高，因此將粗、精銑刀具分開(kāi)，以兼顧加工效率和加工質(zhì)量。這樣做有以下好處[3，4]。

1）粗銑刀去除了毛坯的大余量，釋放了零件內(nèi)部應(yīng)力，減小了零件變形對(duì)加工精度的影響。

2）粗銑刀進(jìn)給大，節(jié)省加工時(shí)間。

3）粗銑刀去除了鑄鋁件表面較硬材料，減小了精銑刀具的沖擊，提高了精銑刀壽命。

4）精加工切削深度小，切削力小，提高零件表面質(zhì)量的同時(shí)還提高了零件的平面度質(zhì)量。

2.3 銑削刀具應(yīng)用案例

（1）小平面、側(cè)面及孔加工 在如圖2所示的某變速器殼體零件加工特征中，有小平面、側(cè)面需要銑削加工。側(cè)面尺寸為R82mm的圓弧面，深度約32mm，選用側(cè)切削刃長(zhǎng)為35mm的非標(biāo)銑刀，實(shí)現(xiàn)一次插補(bǔ)完成整個(gè)圓弧側(cè)面加工。

圖2 某變速器殼體零件加工特征

為了減少刀具數(shù)量，該非標(biāo)銑刀同時(shí)用于加工小平面。因?yàn)樾∑矫婕庸た臻g的局限性，該非標(biāo)銑刀直徑設(shè)計(jì)為25mm?；谇邢髁暗毒邚?qiáng)度考慮，刀具設(shè)計(jì)為3齒。該應(yīng)用中，刀具加工參數(shù)為：轉(zhuǎn)速16200r/min，切削速度1293m/min，每齒進(jìn)給量為0.15mm。

在該刀具可達(dá)區(qū)域里有直徑32mm、深度22mm的通孔，可以用該銑刀側(cè)刃進(jìn)行插補(bǔ)銑削，插補(bǔ)軌跡如圖3所示。用該銑刀加工該孔切削時(shí)間為0.9s，加上刀具移動(dòng)時(shí)間0.5s，1.4s就完成了該孔特征加工。若用鉆頭加工，切削時(shí)間需要0.7s，加上換刀及快速移動(dòng)時(shí)間4s，共需要花費(fèi)4.7s。相比鉆頭加工工藝，用銑刀加工每節(jié)拍節(jié)省3.3s。

圖3 銑刀插補(bǔ)銑削軌跡

（2）大平面加工 對(duì)于大密封面，平面度要求＜0.05mm。由于零件屬于薄壁件，為了滿足平面度要求，夾具采用多點(diǎn)輔助支撐設(shè)計(jì)，刀具采用粗、精銑方案。

1）粗銑。粗銑刀采用Mapal高效率的PowerMill PCD銑刀，刀具直徑160mm，齒數(shù)18。刀具加工參數(shù)為：轉(zhuǎn)速4000r/min，切削速度2011m/min，每齒進(jìn)給量0.14mm，切削余量約1.3mm，留0.2mm余量給精加工，以減小精加工的加工應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品加工精度的影響。

2）精銑。精銑刀（見(jiàn)圖4）為PCD刀具，直徑180mm，大于工件本體寬度，保證避免接刀紋產(chǎn)生。由于設(shè)備刀庫(kù)的限制，所以刀具直徑進(jìn)行了削邊處理，需要對(duì)刀片進(jìn)行非等距排列設(shè)計(jì)。根據(jù)每齒的位置，齒尖到刀柄中心距離不等，保證每齒的進(jìn)給量一致。

圖4 精銑刀

該精銑刀配有2個(gè)修光刃銑刀片，修光刃刀片通過(guò)增設(shè)的修光刃與刀尖一起接觸工件，增大接觸面積，不僅提高了零件表面質(zhì)量，而且提高了零件表面平面度。刀片修光刃長(zhǎng)度b設(shè)計(jì)為1mm，為了減小修光刃刀片（見(jiàn)圖5）對(duì)工件的摩擦力及垂直壓力變形，修光刃設(shè)計(jì)成1.5°。

圖5 修光刃刀片

采用順銑的方式使銑刀的每個(gè)刀齒的切削厚度減小到零，減小刀片對(duì)已加工面的擠壓摩擦，從而減小工件變形，提高加工精度。刀具加工參數(shù)為：轉(zhuǎn)速4000r/min，切削速度2260m/min，每齒進(jìn)給量為0.14mm。

實(shí)際應(yīng)用結(jié)果：平面度＜0.03mm，工藝能力Ppk在3.0以上，表面粗糙度值Ra＜0.6mm。

（3）溝槽加工 變速器殼體零件的活塞腔（見(jiàn)圖6）有底部活塞槽及卡簧槽需要加工。

圖6 活塞腔示意

1）活塞槽加工。活塞槽采用4齒成形刀具（見(jiàn)圖7）直接加工到產(chǎn)品尺寸要求。和大面銑刀一樣，因?yàn)榈稁?kù)限制，所以刀具本體進(jìn)行了削邊處理；因?yàn)橹鬏S抓刀質(zhì)量限制，所以該刀具進(jìn)行了輕量化處理。該銑削刀具直徑和切削背吃刀量均比較大，所以加工過(guò)程中切削力較大，受制于設(shè)備的功率，該刀具選用了相對(duì)較低的轉(zhuǎn)速。刀具加工參數(shù)為：轉(zhuǎn)速2500r/min，切削速度1800m/min，每齒進(jìn)給量0.16mm。

圖7 活塞槽加工成形刀具

2）卡簧槽加工。加工精度要求最高的槽直徑約226mm，其插補(bǔ)加工所用的銑刀直徑93mm，6齒。刀尖以R65mm半圓插補(bǔ)切入，然后插補(bǔ)銑一圈直徑226mm的圓槽，最后以R65mm半圓插補(bǔ)銑退刀，插補(bǔ)銑軌跡如圖8所示。該刀具加工參數(shù)為：轉(zhuǎn)速10000r/min，切削速度3519m/min，每齒進(jìn)給量0.1mm。

圖8 插補(bǔ)銑軌跡

（4）外圓加工 在加工中心用刀具旋轉(zhuǎn)加工工件外圓時(shí)，可以采用插補(bǔ)銑或者套銑。對(duì)加工表面要求高的外圓，插補(bǔ)銑難以滿足加工質(zhì)量要求，而且加工時(shí)間長(zhǎng)。

在變速器殼體中，某特征外圓直徑公差要求為±0.01mm，插補(bǔ)銑難以滿足加工精度要求，所以采用PCD套銑刀具。因?yàn)樵撏鈭A對(duì)孔有同軸度要求，所以在該應(yīng)用中，將鏜孔刀具復(fù)合到了套銑刀具中間（見(jiàn)圖9），提高加工效率的同時(shí)保證加工精度。該刀具加工參數(shù)為：轉(zhuǎn)速5000r/min，切削速度1100m/min，每齒進(jìn)給量0.1mm。該外圓直徑尺寸實(shí)際工藝能力Ppk達(dá)3.0以上。

圖9 套銑加工

（5）螺紋加工 常規(guī)螺紋孔采用傳統(tǒng)螺紋切削和螺紋擠壓方式加工即可。在加工較大螺紋孔時(shí)，傳統(tǒng)螺紋加工方式切削力過(guò)大，對(duì)設(shè)備功率扭矩要求高，此時(shí)應(yīng)采用螺紋銑刀進(jìn)行加工。螺紋銑削技術(shù)需利用數(shù)控機(jī)床的三軸聯(lián)動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)螺旋插補(bǔ)銑削，由機(jī)床控制刀具實(shí)現(xiàn)螺旋運(yùn)動(dòng)[5]。

在變速器箱體零件中，M20×2.5mm的螺紋孔采用了螺紋銑刀螺旋插補(bǔ)銑加工方案。刀具為標(biāo)準(zhǔn)的整體式硬質(zhì)合金4刃螺紋銑刀，直徑13.95mm。該整體式螺紋銑刀帶螺旋排屑槽，剛性好，可以有效降低切削負(fù)荷，提高加工效率。

螺紋銑刀以R8mm半圓螺旋插補(bǔ)銑切入，然后螺旋插補(bǔ)銑一圈，最后以R8mm半圓螺旋插補(bǔ)銑退刀，如圖10所示。在插補(bǔ)銑的過(guò)程中，刀具每插補(bǔ)銑一圈，同時(shí)軸向進(jìn)給2.5mm，保證螺距2.5mm。該刀具加工參數(shù)為：轉(zhuǎn)速4500r/m i n，切削速度197m/min，每齒進(jìn)給量0.1mm，整個(gè)螺紋切削時(shí)間為3.1s。

圖10 螺紋銑刀及加工示意

在該案例中，螺紋銑刀的材質(zhì)用的是硬質(zhì)合金而不是PCD，是因?yàn)橛糜操|(zhì)合金刀具加工該螺紋孔，切削時(shí)間僅3.1s，和準(zhǔn)備下一把刀所需時(shí)間相差無(wú)幾，沒(méi)有必要用PCD刀具提高切削速度來(lái)減少切削時(shí)間。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于高效銑削應(yīng)用原則選擇合適的銑削刀具，某變速器殼體零件的實(shí)際銑削加工時(shí)間52.3s，僅占總切削時(shí)間259.9s的20.1%。將高效率的銑削加工刀具應(yīng)用于變速器箱體類零件的加工中，在實(shí)現(xiàn)高效率加工的同時(shí)，降低了成本。