圆角铣削工艺的研究应用

圆周铣削是通过铣刀的圆周进给运动制造圆柱形表面的一种铣削工艺，近几年来，由于加工中心和刀具制造技术的进步，推动了这种铣削工艺的发展和广泛应用。
        
      目前，利用这种圆周铣削原理，已广泛用于铣孔、铣内（外）槽 、铣螺纹、倒角、铣环形端面和铣沉孔等多种不同的加工任务（图1）。
        
      由于这种圆周铣削工艺具有加工效率高、工艺使用范围广以及可与其它加工工艺复合等优点，使得这种圆周铣削工艺在工业生产中，特别在汽车工业中获得愈来愈多的应用。 

图1：圆周铣削工艺用于多种不同的加工任务

      实现铣刀的圆周进给运动是进行圆周铣削的前提条件，在CNC加工中心上，既可通过X轴和Y轴的圆弧插补来实现铣刀的圆周进给运动，也可以通过X轴、Y轴和Z 轴的螺旋插补来实现铣刀的螺旋进给运动，并通过CNC程序来实现各种不同的圆周铣削加工。目前，直线电机驱动并配有精密数控系统的高动态加工中心不仅能降低圆周铣削的基本时间，并且提高了圆周铣削的加工精度，由此可通过圆周铣削加工来替代镗孔加工和通过钻铣螺纹替代传统的攻丝。
        
      应用圆周铣削工艺进行铣孔，基本上可采用两种方式和两种刀具。一种是采用在圆柱刀体上磨有螺旋形刀刃的圆周铣削刀具或采用在圆柱刀体上切向布置多个可转位刀片的圆周铣削刀具，这类刀具一般用于加工浅孔，铣孔时，主轴铣刀环绕Z轴作圆周进给运动。另一种是采用装有圆刀片或菱形或长方形刀片的多功能立铣刀，这类刀具可用于加工不大于五倍刀具直径的深孔，铣孔时，立铣刀作螺旋进给运动，加工中心的X轴、Y轴和Z轴进行联动（即三轴进行螺旋插补运动）。
        
      采用第一种方法铣孔时，加工孔的圆柱度主要取决于铣刀制造的几何精度。对于加工孔的形状精度，无论是采用哪一种刀具进行铣孔，主要决定于数控系统的插补精度。而加工孔的表面粗糙度与刀具的精度以及所选的切削参数有关。
        
      图 2是采用多功能立铣刀进行铣孔的示意图。铣孔时，旋转的立铣刀绕Z轴作螺旋进给运动，在一次工作行程中铣出所需大小的孔。例如，加工直径为285mm的孔，可采用160mm直径的立铣刀，在无需换刀的情况下通过一次工作行程就可完成加工任务。这比传统的镗孔工艺可节省五道扩孔工序，从而大大简化了加工工艺流程，并且可节省73%的加工时间。
       
      采用圆周铣削工艺，既可进行粗加工也可实现精加工，对于不通孔还可以铣出平底孔，阶梯孔或锥孔，并且还可以在孔底的底面进行圆周表面的圆周铣削加工。
        
      铣孔总是采用多刃铣刀来实现的，这与通常采用单刃镗刀的镗孔工艺相比，铣孔可采用较大的背吃刀量，因而铣孔具有很高的加工效率，并且即使在断续铣削相交孔时也不会产生铣刀的抖动。
        
      目前，在采用直线电机驱动的高速加工中心上，应用圆周铣削工艺以40m/min的进给速度加工汽车发动机变速箱的轴承座孔时，孔的不圆度可达到6μm。由于这样良好的加工精度，这就完全可以免去后续的精加工工序。
      利用圆周铣削原理可进行铣螺孔和钻铣螺纹，采用钻铣螺纹工艺不仅可以简化生产工艺流程，而且可大大缩短加工时间。
        
      应用圆周铣削原理加工螺纹孔时，既可以在预先加工出的螺纹底孔上铣削螺纹，也可以在没有预先加工出螺纹底孔的实心材料上钻铣出螺纹孔。
        
      铣削螺孔常常可以与钻孔、倒角和锪螺孔凸台端面等相关联的工艺进行复合，也就是将与螺纹孔相关的一些功能表面的加工集中在一把刀具上，采用一把钻铣螺纹复合刀具进行综合加工，这不仅可以减少刀具数量，而且大大缩短了加工时间。目前，这种钻铣螺纹工艺已普遍应用于发动机变速箱体、离合器壳和缸盖等零件紧固螺孔的加工，例如，采用钻铣螺纹刀具加工缸盖上深度为14.1mm的M6螺孔，在主轴转速20000r/min，进给量为700mm/min的情况下，一个螺孔的加工时间仅需1.2秒。在一条缸盖柔性生产线的高速加工中心上，采用这样的一把钻铣螺纹复合刀具，在多个缸盖上加工120个M6螺孔也不足3分钟的时间。
        
      Jel精密刀具公司采用一把钻铣螺纹复合刀具加工变速箱体紧固孔的螺孔。变速箱体为铝合金铸件。复合刀具的刀刃采用焊接聚晶金刚石，主轴转速20000r/min。加工时，钻铣螺纹复合刀具依次进行：钻22.5mm螺纹底孔——圆周铣削 M24X1.5螺孔——去除螺纹拧入处的毛刺——反向锪外径为24.5mm及开口角为90°的倒角——锪外径为36mm的螺纹凸台——在螺纹凸台和螺孔上倒1X45°的内外倒角。由于所有功能表面的加工是在一台机床上通过一把刀具来完成的，所以这不仅省去了许多相关刀具以及换刀过程，提高了加工精度和缩短了加工时间（整个加工时仅为4秒），从而大大提高了生产效率。 

图2：采用立铣刀进行铣孔

      采用一把钻铣螺纹复合刀具可以加工螺矩相同而不同直径的螺孔，也可实现左旋或右旋螺纹以及通孔或不通孔螺孔的铣削。由于铣螺纹时产生的是短切屑，就不会发生切屑堵塞问题。还由于钻铣螺纹是在一次工作行程中完成的，可确保螺纹底孔与螺纹的精确同心，并保证精确的螺纹深度。
        
      从上面钻铣螺纹复合刀具可以看出，应用圆周铣削原理还可以使铣孔、铣槽和铣端面等多种加工工艺同其它加工工艺进行复合，构成多种不同的复合刀具。例如把镗孔和反向倒角、镗孔和铣环槽、镗孔和铣平面以及镗孔和铣螺纹等集成到一把刀具来进行加工。
        
      过去，遇到像在一个工件上要进行镗孔和孔背面进行倒角、镗孔和切环槽以及镗孔和车螺纹等工序，往往要将两道工序分别用两把或多把刀具来完成，如果几个功能表面相互要求较高的位置精度或在组合机床自动线上为了节省加工工位数时，就得采用结构复杂的受控刀具来进行加工。
        
      例如对链节两端孔处需要倒角的铰链孔加工，就可采用一把可进行圆周铣削的复合刀具来加工，复合刀具依次进行粗镗——精镗——锪端平面——在孔上下端口处进行倒角（通过圆周铣削）。在这里，应指出的是，对于孔背面这样的倒角，如按传统加工方式往往难于与镗孔加工工艺进行复合，而采用圆周铣削方式，在孔上下端口处进行倒角时，复合刀具只须在径向移动一段距离，通过机床X轴和Y轴的插补进行圆周铣削就可实现这种倒角加工。
        
      又如加工制动支架上带有环槽的配合孔，孔内的环槽同样可以采用圆周铣削方式来进行加工。为此，可以将镗孔和铣槽复合。用一把刀具进行加工。这样的复合刀具在进行加工时依次进行粗镗——半精镗、精镗——圆周铣削环槽(通过X轴和Y轴的圆弧插补)。在这里，也同样是通过圆周铣削把难于进行工艺复合的切槽集中到一把刀具来实现加工。
        
      从上面里列述的一些加工实例中可以看出，像镗孔、攻丝、车螺纹、切内槽、切外槽、锪沉孔和倒角等采用传统加工方法的加工任务，完全可以通过圆周铣削方式来实现，并由此优化加工流程，现代CNC控制技术和多轴高动态机床（加工中心）则为实现这些工艺替代和优化提供了条件，使以往完全要依赖于复杂机构致动（偏心传动、拉杆传动和离心力致动等）的专用刀具才能实现的一些加工任务，现在则可通过控制系统的插补功能使刀具实现圆周加工，这不仅简化了刀具结构，而且也优化了加工工艺。
        
      推广应用圆周铣削工艺和其复合刀具，不仅可以缩短基本时间和辅助时间，并且可以优化加工和提高工件的加工精度。
        
      为更好地应用圆周铣削工艺，在规划工件的生产工艺流程时应重视机床的选用和刀具的设计和制造。对于工件精度要求高的加工任务，应选用高动态加工中心或高动态铣削中心。由于这种机床采用直接驱动和快速CNC控制系统，具有很高的动态响应性能。而传统加工中心由于采用的是间接传动（如丝杠等机构），会产生传动间隙和误差，在插补运动时因机械传动系统的滞后会造成跟踪误差。高动态机床采用的快速CNC控制系统能确保极快的响应速度，能充分利用进给轴的动态特性使其准确移动，由此大大提高了多轴插补精度和加工精度。而提高刀具制造精度则是提高圆周铣削精度的另一个必要条件。如一些刀具制造厂家，为提高金刚石圆周铣削刀具的精度，采用了CNC 5轴电火花线切割机床，以确保刀具的形状精度（达到±3μm）。此外，刀具制造厂为改善圆周铣削刀具的切削条件，在设计上将可转位刀片在铣刀的圆柱体上采用切向布置，以形成正的前角，由此降低径向切削力，有利于提高加工孔的形状精度。
       
      可以看出，随着机床动态性能和插补精度（纳米插补），刀具技术及其制造精度的进一步提高，以及用户和刀具制造厂家之间合作的加强，在今后，圆周铣削工艺将会得到更好的推广应用。