張映寧 楊 蕭 李春偉 錢紅梅

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013)

大型高速土工離心機(jī)是一種用于巖土工程物理模擬的試驗(yàn)裝備，采用轉(zhuǎn)臂式結(jié)構(gòu)，其中轉(zhuǎn)臂中的臂架是離心機(jī)最重要、最關(guān)鍵的零件之一。大型高速土工離心機(jī)的臂架采用超高強(qiáng)度合金鋼整體鍛造，經(jīng)過機(jī)械加工而成，其外形尺寸大、質(zhì)量重，尺寸和形位公差精度高，平衡品質(zhì)級別要求很高。臂架上設(shè)計(jì)有許多精度要求很高的深腔槽，如何高效率、高質(zhì)量的完成臂架的深腔槽加工，具有較高難度。

深腔槽的加工一直是機(jī)械加工中的一個(gè)難題。主要是由于深腔槽的形狀限制了銑刀直徑的大小，槽的深度限制了刀桿的長度，造成刀具長徑比過大，刀具系統(tǒng)剛性變差，銑削加工中會產(chǎn)生較大的振動，加工質(zhì)量難以保證。特別是在轉(zhuǎn)角處振動更加強(qiáng)烈，容易造成啃刀、打刀現(xiàn)象。對于超高強(qiáng)度合金鋼臂架的深腔槽，要精確控制尺寸、形位公差和粗糙度更為困難。目前，提升深腔槽加工質(zhì)量和效率的方法比較多，如采用減振刀桿、插銑、優(yōu)化切削參數(shù)等。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、機(jī)床性能以及經(jīng)濟(jì)性等不同條件，深入研究深腔槽的加工方法，制定合理的加工工藝具有重要的意義。

1 臂架結(jié)構(gòu)

以某型號大型高速土工離心機(jī)為例，該離心機(jī)臂架材料為30Cr2Ni4MoV，抗拉強(qiáng)度1100 MPa、屈服強(qiáng)度900 MPa、沖擊功≥35 J，輪廓尺寸6800 mm×1950 mm×650 mm(長×寬×高)，凈重達(dá)30 t。其設(shè)計(jì)最高工作轉(zhuǎn)速633.4 rmin，平衡品質(zhì)級別G16，要求質(zhì)心位置和幾何對稱中心偏差小于0.24 mm。臂架外形如圖1所示。

圖1 臂架立體圖Figure 1 Space diagram of arm frame

臂架采用整體鍛造后機(jī)械加工成型，外形各部位對稱度≤0.05 mm。

2 加工難點(diǎn)

臂架材料為超高強(qiáng)度合金鋼，切削性能較差，兩端小三角形槽，最小轉(zhuǎn)角R20 mm，槽深275 mm，槽壁厚度65 mm±0.05 mm，圖3(a)；中部方孔兩側(cè)小三角形槽，最小轉(zhuǎn)角R30 mm，槽深325 mm，槽壁厚度35 mm±0.10 mm，見圖3(b)。

由于這兩種三角形槽尺寸較小，槽深度較大，刀具直徑受槽形限制，長徑比為6.875和6.5，加工時(shí)刀具剛性差、振動大，特別是在銳角轉(zhuǎn)角處刀具振動會更大，加工效率很低，精加工時(shí)保證槽形尺寸、形位公差精度難度大。

圖2 小三角槽Figure 2 Small triangle groove

表1 切削參數(shù)及金屬去除率Table 1 Cutting parameters and metal removal rate

圖3 插銑刀路Figure 3 Plunge milling tool path

圖4 型腔銑刀路Figure 4 Cavity milling tool path

3 加工工藝方案

兩種小三角槽形狀及深度基本相同，加工工藝方法也基本相似，現(xiàn)以R30 mm小三角槽為例，對加工工藝進(jìn)行分析和研究。

3.1 三角槽粗加工工藝方案

方案一：機(jī)床選用2.5 m×8 m數(shù)控龍門銑。首先用?63 mm方肩銑刀，在三角槽中心螺旋銑削出一處?85 mm平底進(jìn)刀孔；再選用?50 mm插銑刀插銑去除其余部位余量，完成粗加工。加工時(shí)先用短刀桿加工，再使用長刀桿加工。

方案二：機(jī)床選用2.5 m×8 m數(shù)控龍門銑。刀具選用?63 mm方肩銑刀，采用型腔銑，螺旋下刀、分層周銑去除大量余量；再用?50 mm方肩銑刀清除三角槽各R部位殘留余量，完成粗加工。加工時(shí)先用短刀桿加工，再使用長刀桿加工。

3.2 三角槽精加工工藝方案

方案一：機(jī)床選用2.5 m×8 m數(shù)控龍門銑。刀具選用?63 mm方肩銑刀，沿輪廓層切、周銑，轉(zhuǎn)角處加大轉(zhuǎn)角半徑；再用?50銑刀清根，去除轉(zhuǎn)角處殘留余量，接平已加工面，達(dá)到圖紙要求。

方案二：機(jī)床選用2.5 m×8 m數(shù)控龍門銑。先用鏜刀精鏜轉(zhuǎn)角處R30 mm，再用?50 mm方肩銑，沿輪廓分層周銑型腔槽，接平已加工面，達(dá)到圖紙要求。

3.3 分析和優(yōu)化

粗加工工藝方案一運(yùn)用插銑加工。插銑主要用于刀具懸伸較長，工況穩(wěn)定性差、較深的型腔和拐角加工，但由于有較多的退刀回程，效率相對較低，見圖3。工藝方案二采用型腔周銑分層加工，非切削時(shí)間相對較少，效率相對較高，見圖4。

圖5 高進(jìn)給銑刀Figure 5 High feed milling cutter

圖6 三角槽轉(zhuǎn)角R刀具切削接觸角Figure 6 Tool cutting contact anglefor triangular groove corner R

圖7 優(yōu)化后刀路Figure 7 Optimized tool path

按插銑和型腔周銑切削參數(shù)計(jì)算金屬去除率：

Q=(ap×ae×vf)1000

(1)

式中，Q為金屬去除率，ap為切削深度，ae為切削寬度，vf為進(jìn)給速度，計(jì)算結(jié)果見表1。從中看出型腔周銑的金屬去除率更高，加工效率相對較高。

對于難加工材料和深槽，如果刀具徑向切削力大，當(dāng)切深大、刀桿剛性差時(shí)，加工振動大，刀具磨損嚴(yán)重、容易損壞。所以方肩銑刀不適合深槽粗加工，選用高進(jìn)給銑刀(見圖5)，小切深、大進(jìn)給走刀加工比較適合。

加工時(shí)在三角槽轉(zhuǎn)角處的振刀現(xiàn)象嚴(yán)重，主要是由于轉(zhuǎn)角處刀具接觸角比直邊接觸角增大，切削力陡增造成(見圖6)。

采用擺線銑、imachining加工、自適應(yīng)銑削等切削方法，能改善切削條件，提高加工效率、延長刀具壽命。優(yōu)化刀路如圖7所示。

精加工工藝方案一采用大直徑銑刀加工三角槽大部分型腔，刀具剛性相對較好，切削參數(shù)提升空間大，有利于提高加工效率。然而三角形槽銳角轉(zhuǎn)角處增大拐角半徑值比較受限，R值越大切削越平穩(wěn)，但殘留多，R值越小切削振動越大，刀具磨損越嚴(yán)重，甚至有破損的風(fēng)險(xiǎn)。方案二采用先鏜削清除轉(zhuǎn)角余量的方法，再直接用小直徑刀具精加工，刀具的剛性會有一定削弱，但在轉(zhuǎn)角處刀具是空切狀態(tài)，振動較小，雖然效率相對較低，但切削比較穩(wěn)定、安全。所以，精加工選用工藝方案二。

加工實(shí)施時(shí)刀桿盡量選用直徑大、回轉(zhuǎn)精度高的硬質(zhì)合金刀桿或者抗振刀桿。通過實(shí)際加工情況看，采用上述優(yōu)化的加工工藝方案，切削比較穩(wěn)定，加工效率比較高，刀具損耗降低，加工質(zhì)量良好。

4 結(jié)論

選用高進(jìn)給銑刀和自適應(yīng)銑削進(jìn)行深槽腔體的粗加工，能提高加工效率，減少刀具的消耗。采用先精鏜轉(zhuǎn)角處R，再精銑深腔槽輪廓的加工方法能較好的保證加工尺寸及形位尺寸精度，更利于保證加工質(zhì)量。該工藝方法為今后加工制造類似產(chǎn)品，特別是刀具系統(tǒng)剛性較差時(shí)，提供了一種切實(shí)可行的工藝方案。