超长导轨加工的几点探索

超长导轨加工的几点探索
严来成;徐强
【摘要】详细分析了横梁导轨的全部加工过程,确定在五面体数控龙门铣上,通过对工件变形的控制并结合直角铣头、反向刀轴、双件夹具等工装的应用,一次定位,可
高效、精密地保证此类超长导轨件全长平直精度的实现.
【期刊名称】《林业机械与木工设备》
【年(卷),期】2018(046)011
【总页数】4页(P53-56)
【关键词】超长导轨;平直度;变形控制;刀具改进
【作者】严来成;徐强
【作者单位】苏州苏福马有限公司,江苏苏州215000;苏州苏福马有限公司,江苏
苏州215000
【正文语种】中文
【中图分类】TH162
1 研究背景
超长导轨的加工一直以来都是机械加工中的一个工艺难点。

从一般的机械加工工艺角度看，当此类导轨的长度超过3 m加工就有难度。

为满足市场需求，设计人员
开发出4、6、8、10英尺的规格锯系列新品，特别是用于规格锯的进板、储板、
出板的横梁导轨，短的5米、长则9米甚至10米以上，而且宽长比达到了1∶40。

加工难度包括：①工件长，刚性差，去除余量时会产生力、热变形，以及内应力释放变形；②内外侧导轨面平行度和直线度等要求高，给加工带来困难[1-2]。

为寻
求更高质量、更高效率，人们一直在探索寻找两全的加工方法。

2 方案比较
2.1 工艺要求
超长导轨截面图及主要精度要求如图1所示。

通过分析导轨截面图及其结构可知：导轨A面加工前高度174 mm，要求加工到169 mm，余量5 mm。

厚度从20 mm加工到13 mm(外侧B面台阶深度116.5 mm，内侧C面台阶深度为40 mm)余量为7 mm，因考虑到导轨会有3 mm的弯曲变形，实际余量为10 mm，按图纸要求内侧和外侧要去除的余量比3∶4，但考虑到加工好的导轨弯曲变形和工件
要去除的余量成正比(内应力变形)，而外侧加工深度为116.5 mm，内侧为40 mm，所以加工时把要去除的余量比设为1∶1，即内外侧分别留有余量5 mm，
其中长度尺寸因为规格不同而长度不一，可从5米到10米多不等。

下面通过两种对5 m长导轨的外侧B面、内侧C面及高度A面三面加工过程的分析比较，对比不同加工方法的优缺点。

图1 超长导轨截面图及主要精度要求
2.2 加工机床及工件装夹方法
由于导轨四周和上平面都要加工，而且工件较长，经过多项综合评估决定选用X
轴行程为12 m的5面体数控龙门铣床来进行加工。

5面体机床是指除垂直于主轴的G17平面的机床可加工外，机床还可以利用所配的角铣头旋转不同的角度对
G18、G19平面进行加工，由于是一次定位，从而可减少装夹次数和提高加工精度。

装夹工件时，116.5 mm导轨面朝向操作台，长度沿X轴方向，定位面法向垂直
于Z轴，如图2所示。

两件同时装夹，可以反复加工，成倍减少换头次数，而且
更容易冷却工件，使得效率提升且更趋于合理地控制变形。

图2 工件装夹方法
2.3 传统加工方法
(1)加工169 mm上A面：用100 mm盘铣刀，每次吃刀深度1 mm，切削参数
为S400，F400，加工一刀需13 min，加工5刀共需65 min，光刀S400，F200，光刀需26 min，粗精铣共需91 min。

(2)加工导轨面内侧C面和40台阶：用直径30 mm的立铣刀侧铣加工内侧40 mm台阶，每刀侧铣量1 mm，切削参数S120，F100，粗铣5次，精铣1次，
共6次。

每次加工约需50 min，6次加工要300 min。

(3)加工导轨面外侧B面和116.5台阶：加工导轨面116.5 mm台阶时用角铣头装直径160 mm、主偏角90°的刀盘，刀具转速S300。

每刀吃刀深度由1.2 mm到0.3 mm递减，随着吃刀深度的递减，走刀F值则在递增，分别为1.2 mm吃刀深度F 值为350，1 mm吃刀深度F 值为400，0.7 mm吃刀深度F 值为425，0.5 mm吃刀深度F 值为500，0.3 mm吃刀深度F 值为550，粗铣、半精铣所需时
间为80 min，最后精铣，精铣F200，S300，加工时间26 min。

最后粗铣、半精铣及精铣共用106 min。

内、外侧导轨面交替进行粗铣、半精铣及精铣。

在加工两侧导轨面过程中要拆装3次角铣头，每次拆装需要30 min，3次需要90 min。

传统的加工方法合计所需时间为587 min，而且加工面的粗糙度大于Ra12.5。

2.4 刀具改进的目的和方法
改进刀具的目的是通过正反两用刀轴的应用，使得一次换头可同时完成导轨内外两侧的加工，结合来回往复的加工，保证了内外两侧面的平衡，也为最后的松压板和冷却后的精加工提供了工艺支持。

正反两用刀轴的应用如图3所示。

图3 正反两用刀轴的应用
(1)游标卡尺量出刀杆直径70 mm，键的宽度14 mm；
(2)使用对刀仪测量刀杆的精确直径并检测刀杆回转同心度；
(3)在平整的工作台上装夹好160 mm刀盘，保证压板不压到刀片槽和刀片垫铁；
(4)改进后的刀体，直径70 mm的台阶孔深5 mm，两边键槽宽14 mm，深10 mm；
(5)160 mm刀盘反装，加工内侧导轨C面(注意上压板留足够的位置过160 mm
刀盘)；
(6)160 mm刀盘正装，加工外侧导轨B面。

选用合适的刀具进行改进，能有效地提高效率，方便操作，能保质保量地完成图纸的要求。

改进后的刀具主要是为了加工40 mm深度的导轨C面，即将直径160 mm的刀盘反装在直径70 mm的刀杆上以加工40 mm深度的导轨面，刀杆与工件之间只有5 mm的间隙，可谓是恰到好处。

刀盘的主偏角90°，装刀尖角为82°菱形刀片(82°菱形刀片的刀片副后角在加工过程与工件接触面小)，选用这样刀具
的依据是在切削过程中其与工件之间的切削阻力小，产生的热量少，有利于控制形变。

另外，如果选用较小直径的刀盘，那么刀杆的直径也要随之变小，过小直径的刀杆强度无法对冲刀具在切削过程中的阻力。

如果选用较大直径的刀盘，刀具在加工过程中会形成过多的无效切削线速度，降低了加工效率。

2.5 刀具改进后的加工方法
(1)加工169 mm上A面：用特固特刀盘，直径63 mm，切削参数S700，F1000，每次切削深度1 mm，5次粗加工需25 min，精铣切削参数S700，F500，需10 min，共35 min。

(2)加工导轨面内侧C面和40 mm台阶：角铣头反装直径160 mm刀盘，刀盘主偏角90°，刀具转速S300，加工导轨面内侧40 mm台阶。

每刀吃刀深度由1.2
mm到0.3 mm递减，随着吃刀深度的递减，走刀F 值则在递增，分别为：吃刀
深度1.2 mm时F 为350，吃刀深度1 mm时F 为400，吃刀深度0.7 mm时F 为425，吃刀深度0.5 mm时F 为500，吃刀深度0.3 mm时F 值为550，粗铣、半精铣所需时间为80 min。

最后精铣F200，S300，其加工时间26 min。

粗铣、半精铣及精铣共用106 min。

(3)加工导轨面外侧B面和116.5 mm台阶：角铣头安装直径160 mm刀盘，刀
盘主偏角90°，刀具转速S300。

每刀吃刀深度由1.2 mm到0.3 mm递减，随着吃刀深度递减走刀F 值也在递增，分别为：吃刀深度1.2 mm时F 为350，吃刀
深度1 mm时F 为400，吃刀深度 0.7 mm时F 为425，吃刀深度0.5 mm时F 为500，0.3 mm吃刀深度F 为550，粗铣，半精铣所需时间为80 min。

最后精
铣F200，S300，其加工时间26 min。

粗铣、半精铣及精铣共用106 min。

在加工导轨的内外侧导轨面过程中，分别采用多次调换直径160 mm正反刀盘进
加工，以减少形变。

在粗铣、半精铣及精铣加工导轨面过程中要更换6次刀盘，
每次更换刀盘需要5 min，6次总共需要30 min。

拆装1次角铣头需要30 min，总共需要60 min。

刀具改进后的机加工方法合计所需时间为307 min。

粗糙度小于Ra3.2，刀具改进前后的粗糙度对比如图4所示。

图4 粗糙度对比
3 技术难度分析及处理方法
3.1 刚性差
可采用多个垫头密集装夹，保证1 m装夹一个垫头，在垫头和垫头间的导轨面有
足够的刚性，足够的刚性有助于刀具在工件上稳定切削，减少振动，减少刀具与工件切削面之间的重复摩擦，从而减少热量的产生。

3.2 热变形
热变形是工件变形的主要原因之一，被切削的金属在刀具的作用下会发生弹性和塑性变形而耗功，这是切削热的一个重要来源。

此外，切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦也会产生出大量的热量。

因此，切削时共有三个发热区域，剪切面、前刀面与切屑接触区，以及后刀面与工件表面接触区，还有刀具磨损也会增加热量。

为减少加工过程中的热量产生，应该做到以下几点。

(1)选用合适的刀具。

勤换刀片，减少刀具与工件之间的摩擦力，锋利的刀片既能
增加切削效率，也会减少热量的产生。

合理利用切削三要素，减少刀具线速度，增加走刀量(防止刀具与切削面之间静摩擦，防止挤压切削增加刀具和工件热量)，减小切削深度。

(2)防止刀具在铣削过程中产生拖刀现象。

主要有以下两种情况：
(A)在G17平面上切削时，有四个切削方向可以选择为进刀方向，分别为X+、X-、Y+、Y-，但选择时需要选择一个没有拖刀的方向作为进刀方向(不同的机床有不同的进刀方向)；
(B)在G18、G19平面上切削时，可人为地将角铣头转一个角度，但角度不要太大，只要不拖刀即可。

(3)在加工过程中，可采用风冷或水冷的方式给刀具和工件降温。

条件允许的情况
下最好采用水冷，这样工件和刀具都能做到及时冷却，在一次只能加工一件工件时无需等待冷却时间。

精加工前工件需完全冷却，如果条件允许可以同时装夹多个导轨统一工序加工，这样既能节约冷却时间，同时还能节约换刀时间和拆装角铣头的时间。

3.3 去除余量后内应力变形
粗加工完成后大量余量已经去除，工件的内应力将慢慢释放，但在压板压力的作用下导轨面并不能回到原位，这时应松掉压板，让导轨面回位后再紧好压板，然后再进行半精铣、精铣加工。

为达到图纸要求的内外侧导轨面平行度和直线度，还要做
到在半精加工前尽量少留余量，而且加工前更换刀片，做到内外侧导轨面统一进行半精及精加工。

4 结论
(1)与传统机加工方法相比，经过刀具改进后的新加工方法，一次定位，加工时间节省近三分之一；
(2)通过对变形的探究和控制，经过刀具改进后的新加工方法，加工的导轨面平行度和直线度均能保证在0.1 mm范围内，粗糙度达Ra3.2。

【相关文献】
[1] 吴宗泽.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2008.
[2] 杨叔子.机械加工工艺师手册[M].北京：机械工业出版社，2002.。