應用立式加工中心小批量插削盤形凸輪內孔平鍵槽的加工工藝*

成振洋，張 勇，何冰強

（1.廣州市輕工技師學院，廣州 510220；2.廣東機電職業技術學院，廣州 510545）

0 引言

盤形凸輪內孔平鍵槽的底面與兩側面采用直角連接形式，用銑床類型設備結合銑刀的銑削法無法完成銑削平鍵槽的直角位[1]，目前大部分仍采用傳統的電火線切割加工[2]，或采用專用機床插床插削[3]，也有的用拉床拉削[4]，這些方法均有不足之處，小批量加工鍵槽效率低、成本高。因此，研究利用銑床類型設備結合特制夾具、附件或刀具進行小批量加工內孔平鍵槽的高效加工工藝是機械加工行業相關從業人員的迫切需求。

國內外研究者對內孔平鍵槽加工工藝的探索研究不多。潘建新等[5]通過設計立式數控銑床附件機構，機構內部結構應用錐齒輪嚙合傳動原理，將銑刀豎向進刀改變橫向進刀，實現銑削直角內孔鍵槽。吳龍飛等[6]利用臥式加工中心，設計制作輔助夾具連接角度頭與臥式加工中心主軸，然后令角度頭與刀具連接，通過角度頭改變銑刀的進刀方向，從而實現銑削內孔鍵槽。陳榕林等[7]將普通立銑床的主軸旋轉運動機構改裝成插床的插削進給機構，將立式銑床主軸旋轉運動變換為工作臺間歇的進給運動，形成插削運動，實現插削內孔鍵槽。王順軍等[8]利用普通立式銑床，并定制成型刀具安裝于銑床主軸上，通過手動控制工作臺的上升及下降往復運動，插削內使用成型刀具加工內孔鍵槽。上述研究雖然都是利用銑床類型設備銑削或插削內孔鍵槽，但是都是投入較大成本設計機構、夾具或改裝設備來實現內孔鍵槽加工。

本文從盤形凸輪零件的結構入手，分析內孔平鍵槽的形狀特點，利用加工中心機床高速高效加工性能及編程邏輯，結合傳統插削刀具的結構特征，提出使用立式加工中心，運用數控手工編程主軸定向、直線插補及循環運動指令，設計適用于立工加工中心刀柄的插刀，進行盤形凸輪內孔平鍵槽的數控插削加工實踐分析，并對比所提加工工藝與傳統加工工藝，分析其優劣性。

1 凸輪加工工藝分析

1.1 凸輪功能特點

盤形凸輪是凸輪機構的重要零件，凸輪機構一般應用于將旋轉運動變成（驅動）直線往復運動的場合，但其從動件的行動不能太大，否則凸輪變化過大，對凸輪機構的工作不利，所以一般應用于行程較短的場合。盤形凸輪模型如圖1所示。

圖1 盤形凸輪模型

1.2 凸輪結構及傳統工藝路線

本文的盤形凸輪是平面凹槽型盤形凸輪，零件是6063 鋁質材料，外表面為圓柱形，端面有凸輪凹槽和帶有直角鍵槽的通孔。內孔平鍵槽主要用于與鍵相配，用來安裝鍵，并與軸相配，以傳遞扭矩。此類零件傳統的加工工藝路線是：圓柱毛坯→數控車床車削外圓、鉆內孔、控制總長→立式加工中心機床銑削凸輪槽→拉床拉削或插床插削內孔平鍵槽，共需要3道工序3種機床設備才能完成該零件的加工。盤形凸輪零件圖如圖2所示。

圖2 盤形凸輪零件圖

2 凸輪內孔平鍵槽加工工藝改進

由于傳統加工工藝需要多工序多機床設備，每道工序的流轉均需要耗費時間，且該零件鍵槽寬度尺寸公差達到0.03 mm，表面粗糙度Ra=3.2 μm，精度要求較高。本文基于當前定制化刀具成本下降、便捷，綜合考慮零件材質、精度要求、加工效率及成本，提出改進盤形凸輪內孔平鍵槽的加工工藝，不再采用拉床拉削或插床插削鍵槽，而是沿用上一道工序銑削凸輪槽的立式加工中心機床設備和夾具進行插削。

2.1 設備選用分析

加工內孔平鍵槽的常用工藝為拉床拉削、插床插削或電火花線切割機床切割內孔平鍵槽，而本文提出選用立式加工中心機床插削。內孔平鍵槽加工設備分析對比如表1所示。

綜合分析對比，選用立式加工中心機床插削此類內孔平鍵槽時效及性價比較優，但由于插削是刀具垂直往復運動，并且刀具不產生旋轉切削材料，只是依靠插刀刀尖碰撞切削材料，切削過程會產生振動，需要重復定位精度穩定、強度高、承載能力強的機床才能保證加工要求。因此，可選用硬軌式的立式加工中心機床進行插削加工，其導軌接觸面積大、摩擦力大、承受負荷能力強，機床運行更加平穩。另外，目前市場上用于立式加工中心的插刀較少，型號規格可選范圍較少，因此加工此類型內孔平鍵槽可以定制成型插刀以提高生產效率。

2.2 插刀設計

（1）刀桿外形選用

由于加工中心常用刀柄為BT40刀柄，可提供較大的加持力，同時防止后期刀具鈍化后導致刀具軸向后移，因此加工中心所用的插刀刀桿需設計為圓柱，與傳統插床插刀外觀形狀有較大不同。

（2）刀具材質

本盤形凸輪材質為6063 鋁材，材質較軟，因此刀具材質選用W18Cr4V 高速鋼，俗稱鎢系高速鋼。它是一種合金元素（W、Cr、V 等）含量極高的鋼材，具有較高的紅硬性和硬度，同時回火穩定性及耐磨性也非常好，廣泛應用于制造直升機零部件加工用金屬切削刀具[9]。其熱處理范圍較寬，淬火不易過熱，熱處理過程不易氧化脫碳，磨削加工性能較好，此類鋼材在500 ℃及600 ℃時硬度分別保持在HRC63～64 及HRC62～63，對于鋁質材料具有良好的切削性能，在插削鋁件時刀具具有鋒利、不易粘刀，耐用度高，后期刀刃磨損后可進行多次修磨的特點。

（3）刀刃設計

插削的方式類似刨削的加工方式，只是切削方向不同，因此插刀刀刃參數按刨刀的方式設計。插刀屬于單刃刀具，與刨刀相比，插刀的前面與后面位置對調，為了避免刀桿與工件已加工表面發生碰撞，其主切削刃偏離刀桿正面，插刀的幾何角度一般是前角r為0°～12°，后角α為4°～8°。因此，根據被加工鍵槽形狀及尺寸，取刀具前角r=9°，可以使刀具鋒利，散熱更好；后角取α=5°，取中下限值可以讓刀具剛性更好。在刀具主切削刃兩邊棱角采用0.2°的倒角，可以使刀尖散熱更好尺寸更穩定，且刀尖更耐磨。為增加刀具整體的剛性，將刀桿與刀刃連接的前段設計為圓柱形，且能與零件內孔底孔避開干涉，在不影響刀具下插內孔的情況下，通過計算得出最大圓柱直徑為?12 mm。在刀具外圓柱面設計一處平面，方便刀具裝在機床主軸時找正定位。插刀模型如圖3所示，插刀設計圖如圖4所示。

圖4 插刀設計圖

2.3 夾具選用

盤形凸輪外形結構屬于回轉體類，且零件為小批量的鋁質材料，材料硬度95HB，非高硬度材料。因此，一般加工凸輪槽和內孔平鍵槽時，選用通用夾具自定心三爪卡盤，并配套反爪夾持零件，這樣自定心三爪卡盤中心一致、裝夾零件快速、實用性強。盤形凸輪內孔平鍵槽插削加工裝夾如圖5所示。

圖5 盤形凸輪插削加工裝夾

3 凸輪內孔平鍵槽插削程序編寫

3.1 關鍵插削程序指令選用及路線擬定

插削是插刀相對工件作往復直線運動的主運動且工件作進給運動的機械加工方式，插削內孔平鍵槽時機床主軸不能旋轉，因此加工程序中需要使用M19 主軸定向。需要注意的是，由于不同機床的參數不同，主軸定角度后偏置的坐標軸是不一樣的（有的是X軸，有的是Y軸)，運行程序前一定要明確機床的偏置方向[10]，還要找正插刀桿側面，使插刀與徑向進給軸平行，與鍵槽方向一致[11]。另外用G00 快速定位，用G81 鉆孔固定循環指令可省去很多動作，若使用常用編程指令編寫孔加工程序則十分麻煩[12]。因此，采用M19、G00、G81 等關鍵指令進行編程，最終形成由8 個動作組成的插削內孔平鍵槽固定循環動作，分別為：（1）X、Y、Z 軸快速定位；（2）快速運行到初始平面；（3）快速運行到R平面；（4）快速插削鍵槽；（5）到達設定深度；（6）快速返回到R平面；（7）X軸向增量移動進給背吃刀量；（8）循環重復步驟（4）～（7）進行插削加工，直至達到設定X軸向點停止插削返回安全高度。盤形凸輪內孔平鍵槽插削加工循環動作如圖6所示。

圖6 插削循環動作示意

3.2 切削參數選用

根據刀具質材及零件質材，查閱《金屬切削刀具設計手冊》[13]及刀具制造商提供的插刀切削參數，確定了插削內孔平鍵槽切削參數可選范圍：徑向切深ap為0.02～0.07 mm，切削進給速度F為1 200～2 500 mm/min。經過多次加工試驗得出徑向切深ap=0.06 mm，切削進給速度F=2 000 mm/min的綜合時效較優。

3.3 插加工數控程序編寫

根據選定的設備、夾具、刀具、切削參數，以FANUC 數控系統[14]為例進行編程，具體加工程序如表2 所示。

表2 內孔平鍵槽插削加工數控程序

4 加工效果對比

本文使用的立式加工中心具備工序高度集成的功能，可確保各加工環節有序推進[15]。本工藝通過該設備解決插削盤形凸輪內孔平鍵槽，同時還能在該設備上進行銑削盤形凸輪及內孔，工序集中，減少了零件加工裝夾次數，且加工中心機床的切削速度可達到15～100 m/min，一般尺寸精度達到0.01 mm，表面粗糙度可達0.63 μm。而傳統加工工藝采用拉床拉削，其切削速度一般較低（小于18 m/min），但加工精度較高，一般拉孔尺寸精度公差等級可達到IT7-IT8，表面粗糙度為0.4～0.8 μm;另插床插削的切削速度快于拉削，一般為15～25 m/min，但加工精度低于拉削，尺寸精度公差等級一般為IT7-IT9，表面粗糙度為3.2～6.3 μm，且2 種傳統加工藝設備屬于專用加工設備，加工功能單一，適合中、大批量零件生產加工，對于小批量加工生產成本較高。3 種加工工藝的加工內容、加工精度、加工時間對比如表3 所示。由表可知，采用立式加工中心加工盤形凸輪的內孔平鍵槽效果最佳，既能加工零件多個部位，減少零件加工工序流轉時間，又能達到精度要求。

表3 立式加工中心插削與傳統加工工藝加工內孔平鍵槽的效果對比結果

5 結束語

本文針對盤形凸輪內孔平鍵槽的形狀、尺寸及加工工藝進行分析，提出了一種使用立式加工中心機床，并采用自行設計的插刀，結合數控手工編程的加工工藝方法，解決了盤形凸輪內孔平鍵槽無法在立式加工中心機床加工的問題，主要得到以下結論。

（1）在立式加工中心機床上采用自行設計的插刀，并在手工編程插削程序時，應用機床主軸定向給出指令，使刀具固定方向進行上下運動插削鍵槽長度及徑向進給運動插削鍵槽深度，實現利用立式加工中心插削鍵槽。

（2）在立式加工中心機床上加工鋁質內孔平鍵槽，形狀尺寸精度能達到圖紙要求，表面粗糙度可以達到3.2 μm，總體加工時間長比傳統加工工藝拉床拉削和插床插削快20～30 s，提高了綜合時效，且品質有保證。

（3）利用立式加工中心機床插削內孔平鍵槽，可以減少盤形凸輪零件的加工工序及加工設備，達到一機多用，既縮短零件的生產時長，還能降低零件由于多工序裝夾加工產生的累積誤差。