超长导轨加工的几点探索

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。