一种螺旋式浮动倒角刀具的开发与应用

齐光辉，王乐，董乐，王智，郭华卫

中国第一汽车股份有限公司 吉林长春 130011

1 序言

在开发发动机新产品零件后，尤其是发动机缸体、缸盖等多面壳体会出现毛刺、飞边现象，这就需要对其进行彻底清理以保证后续正常装配使用。同时，由于工件毛坯轮廓尺寸不统一，或是异形曲面轮廓高低起伏不平，从而无法采用数控编程对工件轮廓进行统一加工。遇到这些情况时通常采用手工处理，主要包括手持刮刀处理以及手持电动磨削倒角工具等处理方法。这些方法工作强度大、效率低、易刮伤零件加工表面且极易划伤操作人员[1，2]。此外，加工零件需要保证一定的轮廓以及边缘去除量，通常有0.2～0.5mm的深度要求，因此仅仅通过手持工具很难保证去除余量的一致性，最终造成零件轮廓等边缘处出现深浅不一的状况，对零件表面质量造成影响。因此，如何快速解决零件加工后表面轮廓产生的飞边、毛刺，以及保证零件毛刺去除余量均匀，提升零件表面质量等关键问题，对发动机新产品研发具有重要意义[3]。

为解决上述问题，本项目提供一种螺旋式浮动仿形去毛刺装置。本装置采用数控编程，可自动跟随零件轮廓进行倒角，其根据加工过程中切削力的变化可以自动追踪轮廓线偏差进行浮动伸缩，从而达到自动仿形倒角的目的，提升产品质量，降低劳动强度。

2 技术方案

2.1 浮动仿形去毛刺刀具装置的组成

浮动仿形去毛刺刀具装置如图1所示，其组成包括：①倒角刀头，用于加工工件倒角，刀具直径和倒角角度可选用。②E型螺母，用于锁紧加工刀具。③E型夹套，用于装夹加工刀具。④螺旋槽刀杆，用于夹持加工刀具，并在刀杆上设置均匀分布的3条螺旋槽，用于刀具旋转加工时，可以使刀杆在轴向自由螺旋升降，从而达到刀具浮动加工的效果。⑤前端密封圈，在刀具加注内部切削液时，与夹持刀柄相互配合从而起到切削液密封作用，防止切削液从刀杆和夹持刀柄滑动处流出。⑥弹簧底座螺塞，通过螺纹联接螺旋槽刀杆8，并利用凸台位置固定弹簧方向，防止弹簧左右窜动。⑦弹簧，置于夹持刀柄1中，用于稳定螺旋槽刀杆8轴向位置，并起到调节轴向弹力大小作用。⑧调节螺塞，用于调节弹簧5行程，以及控制弹簧轴向弹力。⑨后端密封圈，在刀具加注内部切削液时，与夹持刀柄1相互配合，从而起到切削液密封作用，防止切削液从刀杆和夹持刀柄1滑动处流出。⑩钢珠螺塞，分别均匀置于夹持刀柄1的槽口中，用于固定钢珠14。⑪钢珠，分别均匀置于夹持刀柄1的槽口中，与螺旋槽刀杆上的螺旋槽配合，起到固定螺旋槽刀杆8滑动方向的作用。⑫夹持刀柄，装载以上零部件，并直接可以装夹在各种刀柄中使用。

图1 浮动仿形去毛刺刀具装置示意

2.2 加工原理说明

如图1所示，螺旋槽刀杆8带有均匀分布的3条螺旋槽，通过置于夹持刀柄中的钢珠进行轴向定位滑动，在刀具进行正向旋转时，由于螺旋线也是正向螺旋，因此刀具旋转惯性会将螺旋槽刀杆反向向下滑动，最终通过弹簧底座螺塞限位固定位置，并通过弹簧施加在弹簧底座螺塞上的弹力在加工过程中形成作用于倒角刀具上的轴向力，从而对零件施加向下的轴向力。

同时，前后端密封圈7和12，分别置于夹持刀柄1的环槽中，以及弹簧底座螺塞6的环槽中，在刀具加注内部切削液时，与夹持刀柄相互配合，从而起到切削液密封作用，防止切削液从刀杆和夹持刀柄滑动处流出。

弹簧调节螺塞4在通过调节工具调节后可进行行程固定锁死，防止弹簧5行程变动。此调节力可根据实际加工工件进行相应调节。

该装置主要用于工件平面内外轮廓倒角加工、圆柱体交叉孔内轮廓倒角加工以及异形曲面轮廓的倒角加工等。由于螺旋刀杆可以轴向浮动，浮动范围为20mm，且具有轴向加工力调节功能，因此，只要同批次零件的轮廓误差在10mm以内，对零件轮廓进行首次编程后（见图2），即可通用。此刀具可方便装夹于各式刀柄中，达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。

图2 零件轮廓编程示意

3 加工过程分析

3.1 参数设定

在自动仿形轮廓加工中，以零件轮廓误差0～10mm、需要倒角深度D为例。如图3所示，此时对刀总长为A，刀头长度为B，螺旋行程为C。

图3 刀具示意

刀具加工高度

轮廓偏移距离为此位置的刀具半径R减去所需加工的倒角距离D。

最终，刀具加工轮廓偏移

3.2 受力分析

加工时浮动刀头切削点线速度

式中，D为刀杆直径（m m）；n为刀具转速（r/min）。

切削点向心力

式中，m为刀杆质量（k g）；r为刀杆半径（mm）；θ为螺旋角度。

当浮力弹簧发生弹性变形时，由胡克定力可知，弹簧弹力F与弹簧伸长量X成正比，公式为

式中，k为弹簧的弹力系数。

因此，浮动加工装置作用在零件轮廓上的力为

由此可以分析出，加工过程中，在刀具转速以及进给速度恒定的情况下，线性轮廓变小时，刀头下伸，接触点刀具直径变大，vc会同比增加，因此F0也会相应增大。同时弹簧压缩量X变小，因此弹簧弹力F相应变小。由此可以得出结论，刀具最终作用于零件轮廓的受力值基本不变。

4 加工状态分析

4.1 零件某段轮廓位置没有误差

当零件某段轮廓位置没有误差时，刀具会以给定的轮廓线方向正常进行加工。刀具没有轴向方向的移动，切削状态稳定无变化。

4.2 零件某段轮廓位置偏大

当零件某段轮廓位置偏大时，刀具前进方向仍为给定的轮廓线方向，而深度进给方向由于轮廓位置偏大对刀具产生向上的推力，因此刀具会进行轴向向上随行浮动。同时由于旋转速度不变，刀具主要轴向下切力也会保持不变，但在浮动上行过程中，刀具实际加工直径变小，切削速度下降，与此同时刀具后端微调弹簧的弹力也会因行程减小而增加，两相作用下，共同保证倒角深度不会改变。

4.3 零件某段轮廓位置偏小

当零件某段轮廓位置偏小时，刀具前进方向仍为给定的轮廓线方向，而深度进给方向由于轮廓位置偏小，弹簧会对刀具产生向下的推力，因此刀具会进行轴向向下随行浮动。此时刀具由正常加工进给变为轴向向下随行浮动，同时由于旋转速度不变，刀具主要轴向下切力也会保持不变，但在浮动下行过程中，刀具实际加工直径变大，切削速度提高，与此同时刀具后端微调弹簧的弹力也会因行程增大而减小，两相作用下，共同保证倒角深度不会改变。

通过研究铝合金材料切削特性、切削参数，以及不同转速、进给速度对去除毛刺深度的影响，总结出铝合金材料去除毛刺、飞边切削参数表（见表1）。在铝合金材料切削测试中，使用直径为20mm、角度为45°的高速钢加工刀头，分别试验角度30°～60°的螺旋刀杆，刀具转速由2000r/min提升至4500r/min时，通过不同进给速度测试零件轮廓加工去除情况。

通过测试得出，刀具转速为2000～3500 r/min的情况下对去除毛刺质量效果影响最大，刀杆螺旋角度对去除毛刺质量影响其次，不同进给速度对毛刺去除深度影响较大。进给速度越快，去除毛刺深度越小，转速越高，表面质量越好。最终确定了铝合金缸盖、缸体表面内外轮廓去除的合理切削参数，见表2。

表2 合理切削参数

5 加工案例

以发动机缸体、缸盖加工为例，在如图4所示的发动机缸体中，上表面平面轮廓较多，其中包括外形轮廓、水道孔内轮廓以及各种油道孔口轮廓等，需要将外轮廓全部毛刺均匀去除，去除量为0.5mm，首批零件共计68件。具体实施方案如下。

图4 发动机缸体

1）装夹找正工件，装备浮动去毛刺装置，同时将发动机缸体上表面设定为坐标系Z值零点。

2）缸体平面轮廓误差在10mm以内，同时需要倒角深度为0.5mm，此时刀具总长为242mm，刀头长度为18mm，刀杆螺旋行程为20mm，则刀具长度尺寸H设定为：H=242.3-（18+20）/2=223.3（mm）。

3）轮廓偏移距离为此位置的刀具半径R减去所需加工的倒角距离，因此刀具加工轮廓偏移尺寸为：D0=9.0－0.5=8.5（mm）。

4）打开编程软件POWERMILL，利用参数线指令将缸体上表面二维轮廓线进行全部抓取，筛选出需要加工去除毛刺的轮廓线，作为后续加工轨迹线。

5）采用软件POWERMILL中的曲线加工策略，设定偏移量8.5mm，设定转速3500r/min，进给速度700mm/min，最后生成仿形加工程序，输出加工代码进行加工。

加工细节对比效果如图5所示，未加工前，表面粗糙，不均匀，加工后，表面光滑，去除均匀。此时缸体上表面内、外轮廓均光滑无毛刺，并且去除深度均在0.5mm，总加工时间为1.5min。

图5 加工细节对比

与人工去除毛刺效果进行对比，结果见表3。

表3 不同去毛刺方式加工结果对比

通过测试，掌握了铝合金材料毛刺去除切削参数，实现了铝合金发动机缸体、缸盖毛刺去除数控自动化，有效解决了去除毛刺余量不均匀问题，使发动机缸体、缸盖上表面质量得到了极大提升，去除余量非常均匀并可控，去除效率提升80%以上。

6 结束语

此技术解决了发动机缸体、缸盖加工后产生的毛刺和飞边只能手持刮刀或手持电动工具方式处理的方式，实现了批量零件的毛刺飞边快速加工处理，在降低劳动强度的同时节省大量试制加工时间，也解决了不规则形状轮廓飞边毛刺无法数控编程加工的难题，保证了毛刺去除余量均匀可靠，提升了零件表面质量。此方法对发动机新产品研发以及后续其他零件的试制研发具有重要意义。