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摘要：介紹了銑削加工的特點，分析了變速器箱體類零件加工工藝的特殊性。基于銑削刀具高效應(yīng)用原則，對零件的不同特征應(yīng)用了不同類型的銑削刀具，并選擇了合適的加工參數(shù)。實踐證明，將高效率的銑削刀具應(yīng)用于變速器箱體類零件加工，可在實現(xiàn)高效率加工的同時，降低成本。

關(guān)鍵詞：高速銑削；修光刃；套銑；薄壁件；PCD刀具

1序言

銑削加工是一種常用的機(jī)加工方式，銑削加工因為是多齒工作，具有以下特點：①生產(chǎn)率較高。其為多齒工作，旋轉(zhuǎn)運動利于高速銑削。②刀齒散熱條件較好。在刀齒銑削運動的圓周中，只有少部分時間切削，刀齒切離工件的時間內(nèi)可以得到一定的冷卻。③排屑比較容易。其切削過程為開放式。④容易產(chǎn)生沖擊和振動。斷續(xù)加工，銑削時每個刀齒的切削厚度是變化的，會產(chǎn)生切削沖擊[1]。銑削加工已在模具制造、航空航天、汽車及電子產(chǎn)品等加工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。隨著銑削刀具和設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，高速銑削技術(shù)在SGM（上海通用汽車）得到了廣泛的應(yīng)用。

2變速器箱體類零件銑削刀具的選擇和應(yīng)用

2.1變速器箱體類零件的工藝特點

變速器箱體類零件有變速器殼體、變扭器殼體及閥體等，如圖1所示，它們都是鋁合金材質(zhì)，屬于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁類零件。由于薄壁零件結(jié)構(gòu)特殊，所以其在機(jī)械加工中所采用的加工工藝也區(qū)別于普通零件。加工變形是薄壁零件銑削加工的痛點，在加工過程中又受銑削振動影響，進(jìn)一步削弱工件剛性，這些因素都會對零件加工精度造成直接或間接的負(fù)面影響，合適的銑削刀具及參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量尤為重要。

2.2銑削刀具應(yīng)用原則

在變速器箱體類零件加工工藝中，銑削加工工藝占總加工工藝75%以上。以某A變速器殼體零件為例，銑削加工總路徑長度約12800mm，加工總路徑長度約16200mm，銑削總路徑長度占比高達(dá)79%，提高銑削加工效率對節(jié)省加工時間及降低成本有非常重要的意義。在保證質(zhì)量的前提下，提高銑削效率、降低成本，是工藝設(shè)計規(guī)劃的主要原則。（1）選用銑削速度快的刀具用于加工鋁合金零件的常用刀具材質(zhì)有硬質(zhì)合金和人造金剛石（PCD）。與硬質(zhì)合金刀具相比，PCD刀具具有硬度和耐磨性極高、摩擦系數(shù)低、彈性模量高、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)低以及與鋁親和力小等優(yōu)點[2]，PCD刀具加工鋁合金時銑削線速度可達(dá)到5000m/min。為了提高加工效率，盡可能選用PCD材質(zhì)的刀具。實際生產(chǎn)證明，在大批量生產(chǎn)中，銑削刀具選用PCD材質(zhì)比硬質(zhì)合金刀具更具有單件成本優(yōu)勢。（2）選用齒密度高的刀具銑刀齒數(shù)根據(jù)直徑不同可分為粗齒、細(xì)齒和密齒三種。在排屑及切削力容許的情況下，盡可能選用細(xì)齒、密齒銑削刀具，以提高切除效率。（3）減少銑削刀具數(shù)量由于銑削刀具加工效率較高，在極短時間內(nèi)加工完零件的某一特征后，加工中心刀庫里的下一把刀具可能尚未準(zhǔn)備好，這樣換刀有等待時間，導(dǎo)致非切削時間變長。因此，合理地選擇銑削刀具覆蓋加工多個特征，可以減少刀具數(shù)量，節(jié)省換刀時間。（4）粗、精銑刀具分開由于對加工質(zhì)量要求較高，因此將粗、精銑刀具分開，以兼顧加工效率和加工質(zhì)量。這樣做有以下好處[3，4]。1）粗銑刀去除了毛坯的大余量，釋放了零件內(nèi)部應(yīng)力，減小了零件變形對加工精度的影響。2）粗銑刀進(jìn)給大，節(jié)省加工時間。3）粗銑刀去除了鑄鋁件表面較硬材料，減小了精銑刀具的沖擊，提高了精銑刀壽命。4）精加工切削深度小，切削力小，提高零件表面質(zhì)量的同時還提高了零件的平面度質(zhì)量。

2.3銑削刀具應(yīng)用案例

（1）小平面、側(cè)面及孔加工在如圖2所示的某變速器殼體零件加工特征中，有小平面、側(cè)面需要銑削加工。側(cè)面尺寸為R82mm的圓弧面，深度約32mm，選用側(cè)切削刃長為35mm的非標(biāo)銑刀，實現(xiàn)一次插補(bǔ)完成整個圓弧側(cè)面加工。為了減少刀具數(shù)量，該非標(biāo)銑刀同時用于加工小平面。因為小平面加工空間的局限性，該非標(biāo)銑刀直徑設(shè)計為25mm?；谇邢髁暗毒邚?qiáng)度考慮，刀具設(shè)計為3齒。該應(yīng)用中，刀具加工參數(shù)為：轉(zhuǎn)速16200r/min，切削速度1293m/min，每齒進(jìn)給量為0.15mm。在該刀具可達(dá)區(qū)域里有直徑32mm、深度22mm的通孔，可以用該銑刀側(cè)刃進(jìn)行插補(bǔ)銑削，插補(bǔ)軌跡如圖3所示。用該銑刀加工該孔切削時間為0.9s，加上刀具移動時間0.5s，1.4s就完成了該孔特征加工。若用鉆頭加工，切削時間需要0.7s，加上換刀及快速移動時間4s，共需要花費4.7s。相比鉆頭加工工藝，用銑刀加工每節(jié)拍節(jié)省3.3s。（2）大平面加工對于大密封面，平面度要求＜0.05mm。由于零件屬于薄壁件，為了滿足平面度要求，夾具采用多點輔助支撐設(shè)計，刀具采用粗、精銑方案。1）粗銑。粗銑刀采用Mapal高效率的PowerMillPCD銑刀，刀具直徑160mm，齒數(shù)18。刀具加工參數(shù)為：轉(zhuǎn)速4000r/min，切削速度2011m/min，每齒進(jìn)給量0.14mm，切削余量約1.3mm，留0.2mm余量給精加工，以減小精加工的加工應(yīng)力對產(chǎn)品加工精度的影響。2）精銑。精銑刀（見圖4）為PCD刀具，直徑180mm，大于工件本體寬度，保證避免接刀紋產(chǎn)生。由于設(shè)備刀庫的限制，所以刀具直徑進(jìn)行了削邊處理，需要對刀片進(jìn)行非等距排列設(shè)計。根據(jù)每齒的位置，齒尖到刀柄中心距離不等，保證每齒的進(jìn)給量一致。該精銑刀配有2個修光刃銑刀片，修光刃刀片通過增設(shè)的修光刃與刀尖一起接觸工件，增大接觸面積，不僅提高了零件表面質(zhì)量，而且提高了零件表面平面度。刀片修光刃長度b設(shè)計為1mm，為了減小修光刃刀片（見圖5）對工件的摩擦力及垂直壓力變形，修光刃設(shè)計成1.5°。采用順銑的方式使銑刀的每個刀齒的切削厚度減小到零，減小刀片對已加工面的擠壓摩擦，從而減小工件變形，提高加工精度。刀具加工參數(shù)為：轉(zhuǎn)速4000r/min，切削速度2260m/min，每齒進(jìn)給量為0.14mm。實際應(yīng)用結(jié)果：平面度＜0.03mm，工藝能力Ppk在3.0以上，表面粗糙度值Ra＜0.6μm。（3）溝槽加工變速器殼體零件的活塞腔（見圖6）有底部活塞槽及卡簧槽需要加工。1）活塞槽加工。活塞槽采用4齒成形刀具（見圖7）直接加工到產(chǎn)品尺寸要求。和大面銑刀一樣，因為刀庫限制，所以刀具本體進(jìn)行了削邊處理；因為主軸抓刀質(zhì)量限制，所以該刀具進(jìn)行了輕量化處理。該銑削刀具直徑和切削背吃刀量均比較大，所以加工過程中切削力較大，受制于設(shè)備的功率，該刀具選用了相對較低的轉(zhuǎn)速。刀具加工參數(shù)為：轉(zhuǎn)速2500r/min，切削速度1800m/min，每齒進(jìn)給量0.16mm。2）卡簧槽加工。加工精度要求最高的槽直徑約226mm，其插補(bǔ)加工所用的銑刀直徑93mm，6齒。刀尖以R65mm半圓插補(bǔ)切入，然后插補(bǔ)銑一圈直徑226mm的圓槽，最后以R65mm半圓插補(bǔ)銑退刀，插補(bǔ)銑軌跡如圖8所示。該刀具加工參數(shù)為：轉(zhuǎn)速10000r/min，切削速度3519m/min，每齒進(jìn)給量0.1mm。（4）外圓加工在加工中心用刀具旋轉(zhuǎn)加工工件外圓時，可以采用插補(bǔ)銑或者套銑。對加工表面要求高的外圓，插補(bǔ)銑難以滿足加工質(zhì)量要求，而且加工時間長。在變速器殼體中，某特征外圓直徑公差要求為±0.01mm，插補(bǔ)銑難以滿足加工精度要求，所以采用PCD套銑刀具。因為該外圓對孔有同軸度要求，所以在該應(yīng)用中，將鏜孔刀具復(fù)合到了套銑刀具中間（見圖9），提高加工效率的同時保證加工精度。該刀具加工參數(shù)為：轉(zhuǎn)速5000r/min，切削速度1100m/min，每齒進(jìn)給量0.1mm。該外圓直徑尺寸實際工藝能力Ppk達(dá)3.0以上。（5）螺紋加工常規(guī)螺紋孔采用傳統(tǒng)螺紋切削和螺紋擠壓方式加工即可。在加工較大螺紋孔時，傳統(tǒng)螺紋加工方式切削力過大，對設(shè)備功率扭矩要求高，此時應(yīng)采用螺紋銑刀進(jìn)行加工。螺紋銑削技術(shù)需利用數(shù)控機(jī)床的三軸聯(lián)動功能，實現(xiàn)螺旋插補(bǔ)銑削，由機(jī)床控制刀具實現(xiàn)螺旋運動[5]。在變速器箱體零件中，M20×2.5mm的螺紋孔采用了螺紋銑刀螺旋插補(bǔ)銑加工方案。刀具為標(biāo)準(zhǔn)的整體式硬質(zhì)合金4刃螺紋銑刀，直徑13.95mm。該整體式螺紋銑刀帶螺旋排屑槽，剛性好，可以有效降低切削負(fù)荷，提高加工效率。螺紋銑刀以R8mm半圓螺旋插補(bǔ)銑切入，然后螺旋插補(bǔ)銑一圈，最后以R8mm半圓螺旋插補(bǔ)銑退刀，如圖10所示。在插補(bǔ)銑的過程中，刀具每插補(bǔ)銑一圈，同時軸向進(jìn)給2.5mm，保證螺距2.5mm。該刀具加工參數(shù)為：轉(zhuǎn)速4500r/min，切削速度197m/min，每齒進(jìn)給量0.1mm，整個螺紋切削時間為3.1s。在該案例中，螺紋銑刀的材質(zhì)用的是硬質(zhì)合金而不是PCD，是因為用硬質(zhì)合金刀具加工該螺紋孔，切削時間僅3.1s，和準(zhǔn)備下一把刀所需時間相差無幾，沒有必要用PCD刀具提高切削速度來減少切削時間。

３結(jié)束語

基于高效銑削應(yīng)用原則選擇合適的銑削刀具，某變速器殼體零件的實際銑削加工時間52.3s，僅占總切削時間259.9s的20.1%。將高效率的銑削加工刀具應(yīng)用于變速器箱體類零件的加工中，在實現(xiàn)高效率加工的同時，降低了成本。

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作者:劉金衛(wèi) 單位:上汽通用汽車有限公司