基于加工中心的大尺寸深腔之精加工方法

郭伟民

(河南职业技术学院，河南郑州 450046)

1 工艺分析

在利用加工中心进行模具制造的时候，经常会加工一些用于配合的型腔，如图1所示。

假定其毛坯为铸件，单边留有约为10 mm的加工余量。显然，该件形状并不复杂，只是长、宽、高基本尺寸大，500 mm×350 mm×150 mm;而公差又小(0.03 mm)，加工难度偏大，容易造成加工时间长。集中表现为4个问题:

(1)铸件毛坯的圆弧R15过渡部分的余量较大，而且该部位在内壁的加工过程中容易抗刀、伤刀，严重时会导致工件移动，所以应该考虑如何有效加工该部分。

(2)内壁和底面尺寸大、精度高，精加工过程中，刀具易磨钝，加工时间很容易变长。所以在保证质量的前提下，应该考虑如何缩短该部分的加工时间。

(3)精加工尺寸的检测也很关键。选用什么样的量具检测，如何检测，直接关系到精加工尺寸的准确性和有效性。

(4)内壁与底面之间如何圆滑过渡(R5的加工)，不留接痕。

对此有没有什么较好的办法，能够高效高质量地完成这类深腔的加工呢?

2 解决办法

根据以上分析和实际加工经验，提出以下加工方法:首先加工出四周内壁之间的圆弧过渡部分，再分别对内壁和底面进行粗加工和精加工，最后加工底面与内壁间的圆弧。具体如下。

2.1 清理四周的圆弧过渡部分(R15)

该部分是可以在整个内壁的加工过程中附带加工的，通常也可以这么做。但容易出现的问题是:

(1)因余量大而伤刀、甚至导致工件移动。换刀或重新确定工件坐标系，都会增加加工时间;不仅如此，如果不能及时发现工件已经移动而继续加工的话，最终可能导致工件报废。

(2)余量不很大，但抗刀，刀具每走到此处就发出声响，加工表面质量很差。因此，每加工到该处就只好大幅度降低走刀速度(正常走刀速度的一半，甚至更低)，并调低转速，结果不但延长了加工时间，也增加了操作难度，而且表面质量往往不理想。

基于此，建议首先把四周的圆弧过渡部分(R15)加工出来。由于该部位是自由公差，非配合面，其实际作用是让位和避免应力集中，因此加工时，在照顾到图纸要求的同时，要尽可能消除加工内壁时在此处容易发生的抗刀现象。具体怎么加工呢?有以下两种选择:

(1)可以选用直径相对小一些(不发生干涉)的立铣刀，进行大吃刀量的内圆弧切削(编程)，通过调整刀补可使实际圆弧略大(0.3～0.5 mm)。由于加工面小，吃刀量又大，加工时间不会很长，只是增加了编程时间;但这种程序简单、不费事，加工起来也方便、安全。

(2)如果有和圆角直径正好相近的立铣刀(如图1所示，若R=15 mm，自由公差，则可用φ(30±2)mm的立铣刀)，尤其假若是键槽铣刀(如图2所示)的话，建议像钻孔那样，自上而下加工这4个圆角，从而可以在更短时间内完成加工。

图2 键槽铣刀

至于刀径的选择，可以按图纸尺寸的公差下限选择刀径(≥φ28 mm)，并根据实际刀径确定实际圆心(较图纸上的名义位置稍稍外移)，让圆弧相应外移，从而避免加工内壁时的抗刀现象;也可以按图纸尺寸的公差上限选择刀径(≤φ32 mm)，并按图纸上的圆心位置进行加工，圆弧也让出来了。后者更简单实用。

刀具和加工位置确定以后，手动操作就可以在很短时间内完成4处圆弧的加工，表面质量和尺寸亦有保证，并为内壁的顺利加工奠定了基础。

至于深度方向的尺寸(根部有R5)，考虑到与底面之间的圆弧过渡，可以留5.1 mm的余量，待整个底面的主要部分精加工完成后，选择合适的刀具，测量高度差并加工。

把上面的问题再延伸一下。如果内腔面积较小，未铸出，圆弧也不是很大，怎么加工好呢?如图3所示，建议在相应位置用普通钻头钻孔。思路和前面说的一样，既要出形状，也要避免抗刀现象。加工出来的孔亦可作为粗加工内腔的下刀位置。

总之，在对四周的内壁进行粗加工之前，有必要先完成圆弧过渡部分(R15)的加工。

图3 型腔未铸出的毛坯

2.2 对四周的内壁进行粗加工(单边余量0.3～0.5 mm)

加工之前应对余量有所了解(测量)。假定单边余量是10 mm左右，那么选用哪种刀具合适呢?建议选择形如图4所示的粗加工铣刀(一些材料上称之为波刃铣刀或粗皮铣刀)。在余量为单边10 mm的情况下，结合所用刀具粗细(文中刀径不大于30 mm)，一次吃刀量可在50～80 mm左右，而进给速度也可以达到F100左右，可以实现快速、安全的加工。

图4 粗铣刀

2.3 加工底面

如果有形如图5所示的R5牛鼻刀(圆弧铣刀)，加工就会快很多。这类刀具刚性好，加工质量好，并可捎带着加工出大部分圆角R5(若刀径大于φ30 mm，内壁过渡圆弧R15处的R5不能加工)。可以采用行切加环切的加工路径，并高转速、高进给速度(F≥800);如果余量在10 mm左右的话，分2～3次分层粗加工，然后检查刀片工作部位磨损状况(必要时转换刀片)，测量余量并进行精加工。其刀径大于φ30时，在圆弧R15附近出现的未加工部分，可用直径不大于φ30的R5圆弧铣刀代劳。

图5 牛鼻刀

但有一个问题，即牛鼻刀的圆角和工件根部的圆角不一样时，怎么办?可以分别用不同的刀具加工底面和根部圆角，即根部圆角单独加工。其实根部圆角R5在实际应用中仅起让位作用，避免应力集中，因而实际尺寸宜略小而不宜大。加工该部位的刀具满足以下两点即可:

(1)刀尖部位是圆弧R5;

(2)避免刀杆部分和内壁的摩擦。

因此，单件生产的话，考虑到经济性，没必要购买具有相应圆弧的牛鼻刀;可以结合生产现场实际情况，在现有刀具中选择和制作，虽然这会增加工作量。在实际应用中，经常会看到刀径大于φ25 mm的2刃立铣刀，其杆部直径标准化了，固定为某一尺寸(比如φ25 mm)，因而杆部直径小于刀径。当这种刀具用到一定程度，其刃长越磨越短(图6所示刃长剩8 mm)，此时可将其改造为如图6所示的圆弧铣刀，专门用来清根。

图6 圆弧铣刀

2.4 四周内壁的精加工

受圆弧R15的限制，所选刀径不能很粗，但最好略小于φ30 mm，以提高刚性。如图7所示的4刃精加工立铣刀就可以。对刀径要准确测量，装刀后有必要在主轴上检测其旋转时的摆动情况。然后，按粗加工的最大余量所确定的尺寸试加工一遍，测量，并依此修改刀补之后，才可继续加工。

图7 精加工立铣刀

在内壁精加工过程中，容易出现3个问题:

(1)凸筋。是由于刀具某一高度上的侧刃损坏而造成的。解决办法是:在最后一、两遍精加工之际，把加工深度值Z上下微调(0.3～0.5 mm)一下，如图8所示。

(2)斜面。指在加工过程中，内壁上部尺寸偏大而下部尺寸偏小，始终呈斜面。如果此时再换新刀，费时费力风险大，效果不佳。

出现这种情况后，在最后一遍精加工之前，采用一、两遍逆铣，往往很出效果。

(3)接痕。即在根部圆角R5与内壁过渡地带容易有接痕。在精加工立铣刀对刀准确的情况下，把加工圆角R5的刀具的有关参数(Z坐标和刀补)进行调整，消除接痕。

最终的表面质量应该是:目测，表面呈现均匀、近似于平行的竖线，而非斜线;手感光滑均匀。

图8 侧壁精加工

2.5 检测

在这种尺寸公差小的加工过程中，准确测量很重要。高度尺寸H可利用百分表准确测量;内腔的长宽(L×B)用什么测量好呢?

加工过程中可以用内径千分尺。但内径千分尺两端的工作面很小，接触面有限，往往不能反映全貌;而且操作者用力大小不同，效果也略不同;还有千分尺和被测量面的垂直关系也难保证。因此最终检测时，比较权威的测量工具应该是量块。如图9所示，根据尺寸，把若干个量块研合后，用手轻轻平推进去，刚好嵌入，不晃动，从上到下、从前到后均可勉强滑动，表明尺寸合格。此时的尺寸接近下偏差值，这也符合使用要求。

图9 量块测量

用这种方法作为最后测量，比用内径千分尺测量更准确、更权威。

3 结束语

这类深腔在模具制造企业经常遇到，在加工中心上一次装夹后可以完成全部加工，掌握其有效的加工方法会有助于提高生产效率和产品质量。其他材质(比如铝合金)的内腔的加工，也可借鉴此法。文中提到的一些加工技巧在类似的情形下也可使用。

随着新工艺、新材料的发展，在条件(设备和刀具)许可的情况下，这种深腔的加工也可以实现局部或全部高速加工。