內孔深溝槽擺線車削，這樣設計更合理

最新 08-27

摘要：內孔深溝槽結構封閉，造成加工區域狹窄，車削加工中容易產生刀具振動和排屑不暢的問題，通過增加刀桿剛性、變槽刀為尖刀的方法對刀具進行初步降振以改善加工環境，並對刀具的受力從主切削抗力、切深抗力和進給抗力三個方面進行詳細分析，以反拉進給車削方式實現刀具的進一步降振；通過對金屬切削斷屑機理的研究，從完全幾何斷屑機理得到啟發，利用數控車床具備走複雜路徑的特點，設計出擺線車削軌跡，將長切屑變為短切屑，利用切削液沖洗的功能達到了理想的排屑效果，順利車削出合格的工件。

航空零件的結構有趨於複雜化和整體化的特點，通常結構複雜，尺寸精度高，材料去除率高。原本一些由焊接、鉚接完成加工的組件現均設計為整體結構，優點是增加了強度比，減小了零件尺寸，減輕了零件重量，不過給製造工藝卻帶來了麻煩。做為航空發動機燃油調節控制系統的零件自然也遵循該趨勢，且有日益小型化、精密化的特點。本文將針對具有上述特點的航空零件中軸類零件的內孔深溝槽車削加工工藝展開分析和討論。

1. 內孔深溝槽結構工藝性分析

如圖1所示，若要車削加工該內孔深溝槽，車刀的長度至少需要70mm，刀桿前端直徑小於7mm，長徑比大於10，處於極易振動區間。眾所周知，振動會嚴重影響刀具的壽命，甚至造成刀尖瞬間破碎。

從圖1給定的尺寸可以計算出加工餘量的體積為163mm3，這麼大體積的不鏽鋼餘量要通過刀具切削將其變成碎屑從φ7mm×67mm的長孔中排出，可見絕非易事。倘若稍有不慎就會造成切屑纏繞刀具，阻礙刀具切削工件，甚至造成折刀。縱觀我車間內溝槽加工時出現的折刀現象，絕大多數因排屑不暢造成。綜上所述，該內孔深溝槽的加工面臨振動、排屑不暢兩大難題，本文就將這兩大難題做為關鍵技術展開分析和討論。

2. 內孔深溝槽車削加工的關鍵技術分析

（1）內孔深溝槽車削加工刀具振動控制的方法。刀具的振動主要源自於切屑與刀具、工件與刀具之間的摩擦力，只有改善刀具的受力環境才能減少振動。在外圓車削時，為了使刀具的剛度滿足切削要求，刀桿結構可設計的比較粗，比較短，但對於本文中的內孔深溝槽，受零件結構的限制，不能無限制的加強刀具剛性，只有在工件底孔尺寸允許的條件下適當增加刀桿的截面積以提高刀具剛性。加工常規溝槽一般使用槽刀，不過為了能夠輕快的切削本文中的內孔深溝槽，可以將刀具形狀設計為尖刀，通過增加工件壓強的方式減小刀具受力。

另外，車刀在切削時主要受主切削抗力Fc、切深抗力Fp和進給抗力Ff（見圖2）。主切削抗力垂直於基面，由切屑衝擊前刀面形成，可以通過增加前角的方法使切屑順利通過前刀面，以減小切屑對刀具的摩擦力。切深抗力垂直於進給方向，作用於主切削刃，可以通過使主偏角趨於90°的方法減小切深抗力。

進給抗力與進給方向相反，通常的進給方向為刀具由外向內車削，即推車法，適用於刀具剛性足夠的情況。本文的內孔深溝槽車削刀具，由於過於細長，即使在靜平衡狀態下，刀桿也會因自重產生撓度，再加之以進給抗力，勢必會造成刀具的彎曲變形，當變形達到刀具塑性變形極限時又會造成反彈，周而復始，刀具的失穩即會使刀具產生振動，對加工質量及刀具壽命都極為不利。

那麼將進給方向調整至從內向外車削時，即拉車法，刀具始終處於受拉狀態下工作，刀具有被拉直的趨勢，恰可以抵消因自重產生的撓度，從而使切削更加平穩。

（2）內孔深溝槽車削加工斷屑、排屑控制的方法。在金屬切削加工中，如果工件材料韌性良好，且刀具不設斷屑槽，通常在進給運動與旋轉運動共同作用下，會產生薄厚均勻連續的帶狀切屑。這種長長的帶狀切屑在孔加工中會聚集在狹窄的已加工好的孔裡面，他們極易捲成團，阻礙刀具切削，甚至將刀具折斷。為了改善上述情況，可進行強制斷屑，將長帶狀切屑變為碎屑或者短切屑，利用切削液沖洗的功能將切屑迅速沖走，從而完成切削加工。那麼如何獲得理想的碎屑呢？

斷屑機理分為兩大類，一種是通過改變進給率從而改變切削層的幾何參數，使切屑面積規律地變為零值，實現該方法稱為完全幾何斷屑。另一種是通過改變切屑的外部環境，以產生新的力學機制，使切屑內部應力超過其應力極限，使產生薄弱環節達到斷屑的目的，該方法稱為力學斷屑。就本文中加工的內孔深溝槽，不適合進行完全幾何斷屑，因為該方法需要具備振動發生器的專業設備進行；同時也不適合力學斷屑，因為受工件結構限制，加工該槽的刀具為硬質合金整體結構，刀尖過小，不具備磨出斷屑槽的條件，所以本文結合數控車床具備走複雜軌跡的優勢，介紹一種仍舊從進給方面尋找突破口，利用擺線切削方式有效控制切屑的方法。

擺線的運動軌跡如圖3所示，假設該運動軌跡為車刀軌跡，將該軌跡的一側切入工件，一側留著外面，就會發現原來大塊的切削區域被分割成了若干個小的切削區域（見圖4），刀具頻繁的以圓弧形式切入切出工件，切屑尚未來得及長的足夠大就被斷掉，同樣達到了斷屑的目的。

至此，關於內孔深溝槽的關鍵問題已經得以解決，上述減震措施以及排屑方法均為了保障被加工工件的質量，增加刀具壽命。值得特別說明的是擺線車削方法，刀具頻繁的切入切出工件，貌似對刀具的壽命不利，不過該方法的切入切出均為圓弧路線，可以避免刀具承受的載荷劇烈變化，對刀具壽命影響較小，不過其對於切屑形態的控制卻作用明顯。

3. 內孔深溝槽擺線車削的工藝設計

（1）工藝系統的選擇。剛性良好的工藝系統對金屬切削是非常有利的條件。所以本文中選擇了進給系統穩定、剛性良好的哈挺T42數控車床；裝夾方式採用液壓式三爪自定心卡盤，定位夾緊位置位於深孔內溝槽的外圓處；車刀採用φ 8mm彈簧夾套夾緊，切削液可以從彈夾縫隙沖入深孔內部。

（2）內孔深溝槽刀具設計。該刀的設計同樣遵循上述關鍵技術的解決方案，採用台階式刀柄以增加刀具剛性，50°的主偏角可以減小切深抗力，38°刀尖角最大限度的增加了刀尖的強度，11°后角以減小刀具與工件的摩擦從而降低振動。刀具簡圖如圖5所示。

（3）內孔深溝槽車削加工的數控編程設計。本文要實現的擺線車削軌跡如果按照圖4進行編寫，只能通過軟體或者宏程序進行，對編程員的要求高，除此之外，該軌跡還有一個缺點，即退刀行程過大，退刀時刀桿後面如果要避開工件的孔壁，刀具直徑就得縮小，可這樣對刀具的剛性影響非常大，因此刀路可以按圖6所示方式進行設計，刀具的每一次進退刀做為一個循環，而每一個單元都用圓弧代替，通過主程序呼叫子程序的方式，大大降低了編製程序的難度及位元組長度。在實際的加工過程中，刀具切削工件時略有振動，切屑控制良好，無纏繞，每加工7件需修磨1次刀具。

4. 結語

（1）擺線車削通過數控車床具備走複雜軌跡的功能有效地控制了內孔深溝槽切削加工過程中的切屑形態，使排屑順暢，切削輕快；拉車法在內孔深溝槽加工中有明顯抑制振動的作用；利用圓弧軌跡代替擺線軌跡進行編程，不僅降低編程難度，也有效地增加了刀桿直徑，增強了刀具剛性。

（2）受本車間刀具製造能力限制，本文所選刀具未磨出有利於斷屑、排屑的前角和斷屑槽，未實現刀具中心出水，也未進行刀具塗層處理，這些均對內孔深溝槽加工效果以及刀具壽命不利。另外如果將刀桿結構設計成十字空心結構，通過結構的改變轉化為固有頻率的改變，從而達到減振、吸振的效果，也未嘗不是一個很好的解決方案。

-End-

本文發表於《金屬加工（冷加工）》2017年第14期，作者：北京長空機械有限責任公司王曉波、馬冬冬、周超、王曉軍

本文編輯：紫衣

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