輪廓精加工的刀路分析及對比

徐軍平

(江蘇省常州劉國鈞高等職業(yè)技術學校，江蘇 常州 213000)

對外圓精加工走刀方式進行深入研究，全面解析數(shù)控車加工中外圓徑向精加工的每個要點，以提高產(chǎn)品加工精度和質(zhì)量穩(wěn)定性[1-3]。

1 外圓切削刀路和刀路優(yōu)化

切削過程是刀具與工件相互運動、相互作用的過程，該過程包括幾何運動和內(nèi)部物理化學運動兩個方面，以內(nèi)部物理化學運動為主[4-5]。

1.1 傳統(tǒng)外圓車削方式

外圓車削一般由粗車和精車組成，在精加工前首先要進行粗加工切除大部分加工余量。外圓粗車加工刀路如圖1所示。

使用外圓車刀進行粗加工，其主要作用是切除大部分加工余量，所以粗車給定的參數(shù)都是大切削量、較快的切削速度。由于需要進行精加工，所以需要留有徑向和軸向加工余量，一般徑向留0.5 mm的余量、軸向留0.1 mm的余量。

圖1 外圓粗加工刀路

然后對外圓表面進行精加工，切除剩余加工余量，保證尺寸精度和表面質(zhì)量。外圓精加工刀路如圖2所示。

精加工的主要作用是保證尺寸精度和表面質(zhì)量，該加工需要采用特定的切削參數(shù)來達到零件的精度要求。

圖2 外圓精加工刀路

1.2 優(yōu)化后的外圓車削方式

精加工時，外圓車刀首先軸向切削外圓表面，接著斜方向退刀、徑向退刀、軸向進刀，然后徑向加工，最后斜方向退刀、徑向退刀，切削完畢。優(yōu)化后外圓精加工刀路如圖3所示，從圖3的退刀軌跡可以看出，該過程與傳統(tǒng)外圓精加工的區(qū)別在于外圓的軸向面和徑向面由一開始的連續(xù)加工，變成了兩個斷開加工。

圖3 優(yōu)化后外圓精加工刀路

2 刀路對比

2.1 兩種刀路的刀具路徑對比

兩種刀路走刀形式的刀具路徑對比如圖4所示。

圖4 刀具路徑對比

傳統(tǒng)的外圓精加工刀路，是先加工外圓的徑向尺寸，緊接著加工軸向尺寸；優(yōu)化后的刀路，加工完徑向尺寸并沒有直接加工軸向尺寸，而是進行了退刀，最后才加工軸向尺寸。兩種刀路加工特點如下：

(1)傳統(tǒng)的徑向加工不僅切削刃參與車削，刀片的前刀面也參與車削。

(2)優(yōu)化后的徑向加工，切削刃參與車削，刀片的后刀面也參與車削，但前刀面不參與車削。

(3)從刀具的走刀軌跡來看，優(yōu)化后的刀路多了很多退刀，將原本可以一起加工的尺寸拆開了，繁瑣了一些。

(4)加工軸向尺寸時，切削方向由內(nèi)向外變成了由外向內(nèi)，改變了切屑方向。

2.2 兩種刀路切削后尺寸回彈性對比

切削產(chǎn)生的切屑是造成切削過程中物理化學變化的主要原因之一，切屑是切削過程中工件受到刀具前后刀面的擠壓形成的。傳統(tǒng)精加工刀路和優(yōu)化后精加工刀路對尺寸精度的影響分別如圖5、圖6所示。

圖5 傳統(tǒng)精加工刀路

圖6 優(yōu)化后精加工刀路

傳統(tǒng)精加工刀路，在加工徑向尺寸時是由內(nèi)向外加工，未加工表面和刀具的前刀面接觸，切屑沿著切削方向排出，在這個過程中刀具的整個前刀面嵌入在工件徑向未加工表面里面，在實際切削中會產(chǎn)生異常聲音，而且刀具的前刀面與工件未加工表面的角度很小，擠壓過程很劇烈，在刀具后刀面與工件未加工表面的角度很大時，失去了平穩(wěn)的后刀面摩擦，已加工表面會出現(xiàn)比較強烈的彈性恢復，外圓的軸向尺寸在精度較高時難以保證。

優(yōu)化后的精加工刀路，在加工徑向尺寸時是由外向內(nèi)加工，刀具的后刀面與未加工表面接觸，由于后刀面與未加工表面角度很大，切屑排出的空間大，刀具的后刀面并沒有完全嵌入工件里面，軸向余量的長度就是與后刀面接觸的長度，所以切屑與刀具擠壓不是很劇烈，加上有刀具的前刀面摩擦，已加工表面出現(xiàn)彈性恢復的強度不高，這樣就有效保證了外圓的軸向尺寸，而且留有的軸向余量還可以更多。

2.3 兩種刀路切削后殘余應力對比

傳統(tǒng)的徑向精加工刀路，刀具的前刀面與未加工表面角度很小，切屑排出的空間很小，距離很長，導致一些切屑在切削處積壓，刀具在繼續(xù)切削情況下工件的徑向表面受到劇烈的摩擦、塑性變形和熱沖擊，工件的內(nèi)部金屬承受很大的塑性變形，在工件表面層殘留大量應力，這些應力在長期的外部溫度和切削力作用下，破壞了原本已加工表面的平衡[6-8]，如圖7所示。

優(yōu)化后的精加工刀路，刀具的后刀面與徑向表面角度很大，切削點在刀具的后刀面和徑向表面之間，切屑排出的空間較大，切屑不會在切削處積壓，刀具的繼續(xù)切削也不會導致切屑留在工件表面，工件的表面所承受的切削熱、摩擦、塑性變形較小，經(jīng)過刀具前刀面的摩擦，留在表面的殘余應力相對較小，外圓的軸向尺寸容易保證[9-11]，如圖8所示。

圖7 傳統(tǒng)精加工殘余應力

圖8 優(yōu)化精加工殘余應力

2.4 其他因素對精加工刀路的影響

在現(xiàn)實加工中，還有一些外部因素對外圓加工尺寸有影響，如機床的絲杠間隙，這是無法避免的，雖然可以修改機床的間隙參數(shù)，但遇到比較高的尺寸精度，還是要從根本上去解決。針對間隙優(yōu)化的刀路軌跡如圖9所示。

圖9 針對間隙優(yōu)化刀路

此次優(yōu)化，進刀位置多了兩個斜方向的走刀，刀具在切削前快速接近工件原點，開始實際切削前走了一個斜方向空刀，用作消除機床的徑向和軸向間隙，因為加工中工件被切削時承受了徑向和軸向反作用力，如果沒有及時消除機床的絲杠間隙，刀具承受反作用力將導致外圓表面可能出現(xiàn)錐度和振動。刀具承受徑向和軸向反作用力如圖10所示。

圖10 刀具承受徑向軸向反作用力

3 優(yōu)化刀路的實際應用

在實際加工時會遇到不同的情況，如有多個臺階圓、倒角等都要考慮進去，如圖11所示。

圖11 刀路的實際應用

此加工首先加工第一個外圓，從倒角處進刀，切削前走一段空刀消除間隙，加工至尺寸處，斜方向退刀；重復同樣的動作加工第二個外圓和第三個倒角；最后加工兩個徑向面。這樣就保證了外圓的軸向和徑向尺寸。

4 優(yōu)化刀路的優(yōu)缺點分析

優(yōu)化精加工刀路優(yōu)缺點如下。

(1)優(yōu)點：① 減少了刀具前刀面的磨損；②過去只能留有很少的軸向余量，現(xiàn)在可以留出更多的余量，以彌補對刀產(chǎn)生的誤差；③外圓的軸向尺寸得到了保證；④切屑排出方向得到改變，外圓徑向面粗糙度因此有了改善；⑤平衡了刀具磨損。

(2)缺點：①刀具路徑復雜很多，增加編程難度；②工作效率有所降低。

5 小結(jié)

對傳統(tǒng)外圓精加工刀路作了改善，提高了外圓的軸向尺寸精度和表面粗糙度，解析了各個要點。在處理現(xiàn)實加工問題時，應綜合考慮實際情況，運用合適的方法去解決不同的問題。