数控钻攻中心加工刀纹问题剖析
2022-12-12 来源：沈阳机床股份有限公司 作者： 于春明
摘要 ：本文阐述了钻攻中心在3C行业手机零件加工过程中出现的刀纹问题，并详细分析了刀纹的成因，以及在切削过程中产生刀纹的影响因素，最后针对对如何消除此类刀纹提出了机床的整改方向。
自2015年以来，钻攻机市场异常火爆，以手机为代表的3C行业表现出井喷的态势，手机零件的加工对机床的要求越发严格，以手机摄像头支架为例，对加工精度的要求为±0.02mm，对加工表面的要求更为严苛，要求接近镜面效果，表面刀纹必须均匀有序，不能出现局部跳跃刀纹，以及象限点接刀纹。正因如此，很多品牌的机床难以达到客户的验收标准，其中有机床品质的问题，有机床使用的问题等。本文将以手机摄像头支架为例，来剖析影响其加工效果的因素。
1 .刀纹问题描述
东莞一手机零件加工厂商使用两种不同品牌的机床，进行同一零件的加工，使用相同的加工程序，相同的夹具以及刀具，最终加工结果却有很大差异。图1所示为加工的零件。
图1 手机摄像头支架
零件名称：某品牌手机摄像头支架；零件材质：不锈钢316L；全序加工时长：9min30s。零件检测采用电动放大镜，通过电脑采集放大镜下的零件图像，放大镜的倍数为20倍。A机床切削为合格品，采集后的刀纹图像如图2所示。
图2 A机床切削合格品样件
图2刀纹均匀有序，深浅一致，无明暗交替纹路，无破损刀纹，目视表面平滑规则明亮，手触无划痕感。使用B机床进行切削采样，如图3所示。
图3 B机床切削不合格品样件
从图3可以看见间断性的宽刀纹，使得整体刀纹突显出宽窄不均，目视会发现零件表面有跳跃性深刀纹出现。
针对这种不规则刀纹的现象，我们进行展开分析，排查影响刀纹的多种因素以及刀纹的成因进行分析。
2.切削测试分析
为了使测试更加准确，我们重新排查了影响切削产生刀纹的各种因素，第一，检查机床地脚是否松动。对机床四个地脚进行重新排查，重新校核了机床工作台的水平；第二，检查刀具。看刀具是否有磨损，重新校核了刀摆，确保刀摆数值控制在0.002mm以内。第三，检查夹具。排查夹具是否会在加工过程中引发振动。
（1）不同进给速度切削测试通过以上案例分析，我们对机床进行了深度测试，寻找其加工过程中的薄弱环节。首先调整不同的进给速度进行切削测试。其他切削参数保持不变。测试结论如图4、图5、图6、图7所示。
图4 切削速度300mm/min
图5 切削速度500mm/min
图6 切削速度700mm/min
图7 切削速度900mm/min
根据不同的切削状况可以发现，当切削速度变低时会发现非常明显的异常刀纹，现对其进行分析。
刀纹产生的原因是刀具与零件的相对运动后留下的痕迹。当切削速度为900mm/min时，进行分析：主轴转速9000r/min，每转进给量=进给速度/转速；每齿进给量=每转/齿数，经计算每转进给量为0.1mm，使用的是4刃刀具，那么每齿进给量为0.025mm。对实际工件进行测量，如图8所示。
图8 工件加工尺寸测量
倒角边有效刀纹边长度为13mm，在放大镜下可观测的刀纹数量为128条，最终可以得出，刀纹实际间距约为0.1mm。由此可以推断，实际上是刀具每转一圈留下一个刀纹。现对刀具进行检测分析，如图9所示。
图9 刀具实际测量
用千分表对刀具进行测量后发现，四个齿高度不一样，具体数值如表1所示。
表1 刀刃测量值
由此可以推断，实际切削过程中，最终只有第一齿在零件上留下刀纹。
（2）刀纹形成机理分析现对刀纹形成机理进行分析，以切削速度900mm/min为例。如图10、图11所示。
图10 切削示意图
图11 切削示意图（放大100倍）
刀具以900mm/min速度切削，切深0.02mm，最终刀纹情况如图11所示，刀纹理论间距0.1mm，刀纹理论深度0.0006mm，表面粗糙度Ra约为0.3um左右，符合实际切削效果。当切削速度为700mm/min时，主轴转速9000r/min，每转进给量为0.08mm，刀纹深0.0004mm；当切削速度为500时，主轴转速9000r/min，每转进给量为0.055mm，刀纹深0.0002mm；当切削速度为300mm/min时，主轴转速9000r/min，每转进给量为0.033mm，刀纹深0.0001mm。
图12 不同切削速度下的刀纹
由此可见，当进给越低时，正常产生的刀纹越浅越窄。那么机床振动对其产生的影响越明显。
3．异常刀纹成因分析
根据刀纹的表象，以及之前的分析，现从理论角度对其分析产生的原因。
（1） 轴向窜动产生的影响轴向窜动造成的刀纹状况分析，如图13所示。
图13 轴向窜动产生理论分析
轴向瞬时窜动对切削的影响如图12所示，其影响主要表现为偶尔会出现一条宽或者窄的刀纹，但刀纹深浅没有影响。其形成的原因主要为传动系统瞬时窜动，如丝杠预压丢失，传动轴安装精度引起的瞬时应力释放等。
（2）机床振动产生的影响
机床振动对刀纹产生的影响如图14所示。
图14 机床振动产生的影响
如图14所示，机床振动产生的刀纹效果，刀纹宽窄会发生变化，刀纹深浅也会发生变化，同时对相邻的刀纹也会产生影响。分析其产生的原因，主要有两部分，第一，工作台振动引起的，考虑其方向，主要为XY轴传动系统、工作台、滑座、床身等影响。第二，主轴箱振动引起的，考虑其方向主要为Z轴传动系统及立柱、主轴箱等影响。现对AB两机床做振动分析，分析数据如表2所示。
表2 振动分析数据
通过表2振动分析可以看出，在500Hz以内，B机床出现十二阶固有频率，A机床出现十阶固有频率，说明B更容易引起振动，通过阻尼比对比发现，A机床抗振动性能更好。A机床优于B机床主要有以下几点：第一，机床大件结构，A机床大件外形结构及筋格设计更合理，刚性更强；第二，三轴丝杠结构，对比发现两台机床丝杠结构不同，那么在设计机床时需要重点关注丝杠的适用性，而不是完全根据丝杠厂家的推荐来；第三，导轨结构，导轨结构不单能够影响机床的传动精度，而且对整机的连接刚性影响非常大，在机床选择功能部件时，需严格关注；第四，机床联接刚性，主要关注机床的装配工艺。
4．整改后机床切削测试
根据之前分析，我们对B机床进行了相应的调整，调整部分有装配环节，传动系统及大件结构，然后进行切削测试，如图15所示。
图15 调整机床后切削样件
通过上图可以看出，此B机床已经能够达到A机床的切削效果，经客户检验，已经完全满足客户的出厂要求。
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