異型截面零件加工的方法及特點分析

隨著科技和生產的發展，機械設計與制造中具有特殊用途的異型截面零件越來越多，如多棱軸、凸輪軸、多邊形軸、曲軸等，為了達到這些零件所需的性能要求，其加工精度和表面質量要求也越來越高。本文從異型截面零件加工方法及特點的分析入手，重點介紹異型截面零件的精密車削和砂帶磨削加工技術。

1 異型截面零件的加工方法

異型截面零件的加工通常有三種途徑：①直接成形法，如鑄、鍛、沖壓等；②切削運動合成法，如車、銑、刨、磨等；③特種加工法，如線切割、電火花、激光加工等。其中，直接成形法是異型截面零件的主要成形方法，但由于其制造精度較低，表面粗糙度值較大，不能滿足異型截面零件的精加工要求。特種加工法因效率低、成本高且不能加工軸向截面形狀復雜的非圓截面零件而使其應用受到一定限制。因此，運動合成法切削加工是獲得高精度異型截面零件的主要途徑。

車、銑、刨、磨等是最常見的運動合成切削加工方法，均能加工出不同的復雜形狀零件。在這些方法中，銑削和刨削目前尚難以獲得很高的加工精度。磨削是常用的精密加工方法，且具有較高的生產效率，但普通磨削加工由于砂輪磨粒負前角較大、切削厚度小、磨粒易鈍化、切屑易堵塞砂輪、磨削溫度高、磨削力大、難以勝任磨削曲率變化大的工件等原因，其應用受到一定限制。精密車削是近年來發展較快的精密加工技術，尤其隨著數控機床和金剛石刀具的廣泛應用，使精密車削的加工精度和加工效率大大提高。

2 異形截面零件的車削加工

異型截面零件的車削加工方法主要有：①機械運動合成法，即通過機構的多方向運動合成產生異型截面的車削運動軌跡；②靠模仿形加工法，即利用靠模來控制車刀與工件的相對運動軌跡，形成所需工件形狀；③數控車削法，即在數控車床上利用程序指令對機床進行控制，使機床自動完成規定的加工過程。其中，數控車削法生產效率和加工精度高，質量穩定，加工范圍廣，可用于各種異型截面零件的自動車削。當加工對象變化時，僅需調整數控程序，即可完成加工作業，特別適合多品種小批量的自動化生產。

3 異型截面零件車削加工的刀具角度分析

由于切削加工異型截面零件時刀具的工作角度是變化的，車削時可能出現較大的負前角或負后角。當出現負后角時，車刀與工件表面嚴重擠壓、摩擦，使工件表面質量變差，甚至難以切除工件材料。因此加工異型截面零件時必須防止出現負后角，保證車刀具有正常的工作角度。

在車削異型截面零件時，刀具的工作角度不僅與進給運動和安裝位置有關，還與工件的截面形狀有關。刀具的前后角將隨工件形狀的變化而變化。下面以加工凸輪軸為例分析刀具工作角度的變化。


當切削凸輪軸圓柱部分時，不考慮進給運動和刀尖安裝高低的影響，刀具的前角和后角等于刀具的標注角度；當切削凸輪軸升程部分時，由于工件形狀的關系，刀具的工作前角減小，工作后角增大。


角度的變化值為η，η角的大小取決于工件截面形狀。由數學關系知，曲線上任意點M的切線與該點矢量半徑的夾角為ψ，η為ψ的余角，故有


所以有


當切削凸輪軸回程部分時，工作前角增大，工作后角減小，


當η>a時，刀具的工作后角為負值，而負后角車刀會嚴重擠壓、摩擦工件表面，甚至無法切除工件材料。為保證刀具切削時工作角度不變，刀具應隨工件旋轉的位置擺動，如圖2所示。


4 異形曲面零件的磨削加工

在異型截面零件的磨削加工中，砂帶磨削是一種高效、高精度的加工方法，尤其對于異型曲面零件的加工效果更為理想。異型曲面零件一般磨削難度較大，而砂帶的柔軟性恰好能適應這類零件的加工特點。砂帶磨削的接觸輪、壓磨板(塊)和接觸襯帶均可按零件的曲面形狀隨意改變，使其在磨削過程中能很好地與曲面吻合，獲得較好的成型效果。砂帶磨削還具有加工溫度低、粗糙度值低等特點，可使被加工零件獲得良好的表面質量，克服砂輪曲面磨削中很難避免的磨削燒傷現象。此外，由于砂帶制造技術及砂帶質量的不斷提高，砂帶磨削在高精度曲面零件加工中已達到甚至超過了其它加工方法的水平，目前已可磨制擺線齒輪、羅茨輪、大模數漸開線齒輪、汽輪機葉片等。對于一般精度曲面零件的加工，砂帶磨削的應用更為普遍。目前砂帶磨削已成為異型曲面零件的一種高效精密加工方法。