齊光輝，王樂(lè)，董樂(lè)，王智，郭華衛(wèi)

中國(guó)第一汽車股份有限公司 吉林長(zhǎng)春 130011

1 序言

在開(kāi)發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品零件后，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋等多面殼體會(huì)出現(xiàn)毛刺、飛邊現(xiàn)象，這就需要對(duì)其進(jìn)行徹底清理以保證后續(xù)正常裝配使用。同時(shí)，由于工件毛坯輪廓尺寸不統(tǒng)一，或是異形曲面輪廓高低起伏不平，從而無(wú)法采用數(shù)控編程對(duì)工件輪廓進(jìn)行統(tǒng)一加工。遇到這些情況時(shí)通常采用手工處理，主要包括手持刮刀處理以及手持電動(dòng)磨削倒角工具等處理方法。這些方法工作強(qiáng)度大、效率低、易刮傷零件加工表面且極易劃傷操作人員[1，2]。此外，加工零件需要保證一定的輪廓以及邊緣去除量，通常有0.2～0.5mm的深度要求，因此僅僅通過(guò)手持工具很難保證去除余量的一致性，最終造成零件輪廓等邊緣處出現(xiàn)深淺不一的狀況，對(duì)零件表面質(zhì)量造成影響。因此，如何快速解決零件加工后表面輪廓產(chǎn)生的飛邊、毛刺，以及保證零件毛刺去除余量均勻，提升零件表面質(zhì)量等關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品研發(fā)具有重要意義[3]。

為解決上述問(wèn)題，本項(xiàng)目提供一種螺旋式浮動(dòng)仿形去毛刺裝置。本裝置采用數(shù)控編程，可自動(dòng)跟隨零件輪廓進(jìn)行倒角，其根據(jù)加工過(guò)程中切削力的變化可以自動(dòng)追蹤輪廓線偏差進(jìn)行浮動(dòng)伸縮，從而達(dá)到自動(dòng)仿形倒角的目的，提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 技術(shù)方案

2.1 浮動(dòng)仿形去毛刺刀具裝置的組成

浮動(dòng)仿形去毛刺刀具裝置如圖1所示，其組成包括：①倒角刀頭，用于加工工件倒角，刀具直徑和倒角角度可選用。②E型螺母，用于鎖緊加工刀具。③E型夾套，用于裝夾加工刀具。④螺旋槽刀桿，用于夾持加工刀具，并在刀桿上設(shè)置均勻分布的3條螺旋槽，用于刀具旋轉(zhuǎn)加工時(shí)，可以使刀桿在軸向自由螺旋升降，從而達(dá)到刀具浮動(dòng)加工的效果。⑤前端密封圈，在刀具加注內(nèi)部切削液時(shí)，與夾持刀柄相互配合從而起到切削液密封作用，防止切削液從刀桿和夾持刀柄滑動(dòng)處流出。⑥彈簧底座螺塞，通過(guò)螺紋聯(lián)接螺旋槽刀桿8，并利用凸臺(tái)位置固定彈簧方向，防止彈簧左右竄動(dòng)。⑦彈簧，置于夾持刀柄1中，用于穩(wěn)定螺旋槽刀桿8軸向位置，并起到調(diào)節(jié)軸向彈力大小作用。⑧調(diào)節(jié)螺塞，用于調(diào)節(jié)彈簧5行程，以及控制彈簧軸向彈力。⑨后端密封圈，在刀具加注內(nèi)部切削液時(shí)，與夾持刀柄1相互配合，從而起到切削液密封作用，防止切削液從刀桿和夾持刀柄1滑動(dòng)處流出。⑩鋼珠螺塞，分別均勻置于夾持刀柄1的槽口中，用于固定鋼珠14。?鋼珠，分別均勻置于夾持刀柄1的槽口中，與螺旋槽刀桿上的螺旋槽配合，起到固定螺旋槽刀桿8滑動(dòng)方向的作用。?夾持刀柄，裝載以上零部件，并直接可以裝夾在各種刀柄中使用。

圖1 浮動(dòng)仿形去毛刺刀具裝置示意

2.2 加工原理說(shuō)明

如圖1所示，螺旋槽刀桿8帶有均勻分布的3條螺旋槽，通過(guò)置于夾持刀柄中的鋼珠進(jìn)行軸向定位滑動(dòng)，在刀具進(jìn)行正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于螺旋線也是正向螺旋，因此刀具旋轉(zhuǎn)慣性會(huì)將螺旋槽刀桿反向向下滑動(dòng)，最終通過(guò)彈簧底座螺塞限位固定位置，并通過(guò)彈簧施加在彈簧底座螺塞上的彈力在加工過(guò)程中形成作用于倒角刀具上的軸向力，從而對(duì)零件施加向下的軸向力。

同時(shí)，前后端密封圈7和12，分別置于夾持刀柄1的環(huán)槽中，以及彈簧底座螺塞6的環(huán)槽中，在刀具加注內(nèi)部切削液時(shí)，與夾持刀柄相互配合，從而起到切削液密封作用，防止切削液從刀桿和夾持刀柄滑動(dòng)處流出。

彈簧調(diào)節(jié)螺塞4在通過(guò)調(diào)節(jié)工具調(diào)節(jié)后可進(jìn)行行程固定鎖死，防止彈簧5行程變動(dòng)。此調(diào)節(jié)力可根據(jù)實(shí)際加工工件進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。

該裝置主要用于工件平面內(nèi)外輪廓倒角加工、圓柱體交叉孔內(nèi)輪廓倒角加工以及異形曲面輪廓的倒角加工等。由于螺旋刀桿可以軸向浮動(dòng)，浮動(dòng)范圍為20mm，且具有軸向加工力調(diào)節(jié)功能，因此，只要同批次零件的輪廓誤差在10mm以內(nèi)，對(duì)零件輪廓進(jìn)行首次編程后（見(jiàn)圖2），即可通用。此刀具可方便裝夾于各式刀柄中，達(dá)到批量零件仿形倒角去毛刺的目的，提高零件倒角加工的效率以及通用性。

圖2 零件輪廓編程示意

3 加工過(guò)程分析

3.1 參數(shù)設(shè)定

在自動(dòng)仿形輪廓加工中，以零件輪廓誤差0～10mm、需要倒角深度D為例。如圖3所示，此時(shí)對(duì)刀總長(zhǎng)為A，刀頭長(zhǎng)度為B，螺旋行程為C。

圖3 刀具示意

刀具加工高度

輪廓偏移距離為此位置的刀具半徑R減去所需加工的倒角距離D。

最終，刀具加工輪廓偏移

3.2 受力分析

加工時(shí)浮動(dòng)刀頭切削點(diǎn)線速度

式中，D為刀桿直徑（m m）；n為刀具轉(zhuǎn)速（r/min）。

切削點(diǎn)向心力

式中，m為刀桿質(zhì)量（k g）；r為刀桿半徑（mm）；θ為螺旋角度。

當(dāng)浮力彈簧發(fā)生彈性變形時(shí)，由胡克定力可知，彈簧彈力F與彈簧伸長(zhǎng)量X成正比，公式為

式中，k為彈簧的彈力系數(shù)。

因此，浮動(dòng)加工裝置作用在零件輪廓上的力為

由此可以分析出，加工過(guò)程中，在刀具轉(zhuǎn)速以及進(jìn)給速度恒定的情況下，線性輪廓變小時(shí)，刀頭下伸，接觸點(diǎn)刀具直徑變大，vc會(huì)同比增加，因此F0也會(huì)相應(yīng)增大。同時(shí)彈簧壓縮量X變小，因此彈簧彈力F相應(yīng)變小。由此可以得出結(jié)論，刀具最終作用于零件輪廓的受力值基本不變。

4 加工狀態(tài)分析

4.1 零件某段輪廓位置沒(méi)有誤差

當(dāng)零件某段輪廓位置沒(méi)有誤差時(shí)，刀具會(huì)以給定的輪廓線方向正常進(jìn)行加工。刀具沒(méi)有軸向方向的移動(dòng)，切削狀態(tài)穩(wěn)定無(wú)變化。

4.2 零件某段輪廓位置偏大

當(dāng)零件某段輪廓位置偏大時(shí)，刀具前進(jìn)方向仍為給定的輪廓線方向，而深度進(jìn)給方向由于輪廓位置偏大對(duì)刀具產(chǎn)生向上的推力，因此刀具會(huì)進(jìn)行軸向向上隨行浮動(dòng)。同時(shí)由于旋轉(zhuǎn)速度不變，刀具主要軸向下切力也會(huì)保持不變，但在浮動(dòng)上行過(guò)程中，刀具實(shí)際加工直徑變小，切削速度下降，與此同時(shí)刀具后端微調(diào)彈簧的彈力也會(huì)因行程減小而增加，兩相作用下，共同保證倒角深度不會(huì)改變。

4.3 零件某段輪廓位置偏小

當(dāng)零件某段輪廓位置偏小時(shí)，刀具前進(jìn)方向仍為給定的輪廓線方向，而深度進(jìn)給方向由于輪廓位置偏小，彈簧會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生向下的推力，因此刀具會(huì)進(jìn)行軸向向下隨行浮動(dòng)。此時(shí)刀具由正常加工進(jìn)給變?yōu)檩S向向下隨行浮動(dòng)，同時(shí)由于旋轉(zhuǎn)速度不變，刀具主要軸向下切力也會(huì)保持不變，但在浮動(dòng)下行過(guò)程中，刀具實(shí)際加工直徑變大，切削速度提高，與此同時(shí)刀具后端微調(diào)彈簧的彈力也會(huì)因行程增大而減小，兩相作用下，共同保證倒角深度不會(huì)改變。

通過(guò)研究鋁合金材料切削特性、切削參數(shù)，以及不同轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度對(duì)去除毛刺深度的影響，總結(jié)出鋁合金材料去除毛刺、飛邊切削參數(shù)表（見(jiàn)表1）。在鋁合金材料切削測(cè)試中，使用直徑為20mm、角度為45°的高速鋼加工刀頭，分別試驗(yàn)角度30°～60°的螺旋刀桿，刀具轉(zhuǎn)速由2000r/min提升至4500r/min時(shí)，通過(guò)不同進(jìn)給速度測(cè)試零件輪廓加工去除情況。

通過(guò)測(cè)試得出，刀具轉(zhuǎn)速為2000～3500 r/min的情況下對(duì)去除毛刺質(zhì)量效果影響最大，刀桿螺旋角度對(duì)去除毛刺質(zhì)量影響其次，不同進(jìn)給速度對(duì)毛刺去除深度影響較大。進(jìn)給速度越快，去除毛刺深度越小，轉(zhuǎn)速越高，表面質(zhì)量越好。最終確定了鋁合金缸蓋、缸體表面內(nèi)外輪廓去除的合理切削參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 合理切削參數(shù)

5 加工案例

以發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋加工為例，在如圖4所示的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體中，上表面平面輪廓較多，其中包括外形輪廓、水道孔內(nèi)輪廓以及各種油道孔口輪廓等，需要將外輪廓全部毛刺均勻去除，去除量為0.5mm，首批零件共計(jì)68件。具體實(shí)施方案如下。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體

1）裝夾找正工件，裝備浮動(dòng)去毛刺裝置，同時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上表面設(shè)定為坐標(biāo)系Z值零點(diǎn)。

2）缸體平面輪廓誤差在10mm以內(nèi)，同時(shí)需要倒角深度為0.5mm，此時(shí)刀具總長(zhǎng)為242mm，刀頭長(zhǎng)度為18mm，刀桿螺旋行程為20mm，則刀具長(zhǎng)度尺寸H設(shè)定為：H=242.3-（18+20）/2=223.3（mm）。

3）輪廓偏移距離為此位置的刀具半徑R減去所需加工的倒角距離，因此刀具加工輪廓偏移尺寸為：D0=9.0－0.5=8.5（mm）。

4）打開(kāi)編程軟件POWERMILL，利用參數(shù)線指令將缸體上表面二維輪廓線進(jìn)行全部抓取，篩選出需要加工去除毛刺的輪廓線，作為后續(xù)加工軌跡線。

5）采用軟件POWERMILL中的曲線加工策略，設(shè)定偏移量8.5mm，設(shè)定轉(zhuǎn)速3500r/min，進(jìn)給速度700mm/min，最后生成仿形加工程序，輸出加工代碼進(jìn)行加工。

加工細(xì)節(jié)對(duì)比效果如圖5所示，未加工前，表面粗糙，不均勻，加工后，表面光滑，去除均勻。此時(shí)缸體上表面內(nèi)、外輪廓均光滑無(wú)毛刺，并且去除深度均在0.5mm，總加工時(shí)間為1.5min。

圖5 加工細(xì)節(jié)對(duì)比

與人工去除毛刺效果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同去毛刺方式加工結(jié)果對(duì)比

通過(guò)測(cè)試，掌握了鋁合金材料毛刺去除切削參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋毛刺去除數(shù)控自動(dòng)化，有效解決了去除毛刺余量不均勻問(wèn)題，使發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋上表面質(zhì)量得到了極大提升，去除余量非常均勻并可控，去除效率提升80%以上。

6 結(jié)束語(yǔ)

此技術(shù)解決了發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋加工后產(chǎn)生的毛刺和飛邊只能手持刮刀或手持電動(dòng)工具方式處理的方式，實(shí)現(xiàn)了批量零件的毛刺飛邊快速加工處理，在降低勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)節(jié)省大量試制加工時(shí)間，也解決了不規(guī)則形狀輪廓飛邊毛刺無(wú)法數(shù)控編程加工的難題，保證了毛刺去除余量均勻可靠，提升了零件表面質(zhì)量。此方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品研發(fā)以及后續(xù)其他零件的試制研發(fā)具有重要意義。