壓路機(jī)零件同軸孔加工中存在的問題與對策

周文

( 南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，江蘇南通226007)

同軸孔是機(jī)械加工中常見的加工表面。對于長度較小的長孔或相距較近的孔，通常是從一端鏜進(jìn)，正常情況下，這是一種經(jīng)濟(jì)適用的孔加工方法。但對于長徑比大或零件兩端相距較遠(yuǎn)的孔而言，采用此法時，由于鏜桿易于變形而造成孔的尺寸和形位精度超差［1］，同時加工效率也比較低。為解決相距較遠(yuǎn)的同軸孔加工中存在的這些問題，從高速加工角度出發(fā)，對其加工工藝設(shè)計和切削參數(shù)的選擇進(jìn)行了探討。

1 同軸孔常用鏜孔工藝方案的不足與高速調(diào)頭鏜孔工藝對策

1.1 同軸孔加工要求與調(diào)頭鏜孔工藝處理

圖1 為某機(jī)械產(chǎn)品振動輪鉸接架的結(jié)構(gòu)示意圖。該零件的功能主要是在壓路機(jī)正常工作時控制振動輪的轉(zhuǎn)向。零件的主要加工面為相距400 mm 的的同軸孔的加工，要求兩孔的同軸度為φ0.050，且兩孔的尺寸精度要求較高，相當(dāng)于長孔的加工。

圖1 鉸接架零件結(jié)構(gòu)示意圖

大批量生產(chǎn)條件下，一般在專用臥式雙面鏜床上完成此兩孔的加工，其優(yōu)點是加工效率比較高，但在多品種中小批量生產(chǎn)條件下，采用專用機(jī)床的成本比較高，產(chǎn)品轉(zhuǎn)型困難，必須考慮其他方法。調(diào)頭鏜孔是指工件不動而隨機(jī)床工作臺回轉(zhuǎn)180°的鏜孔方法，刀具分別從兩端進(jìn)給，變長孔加工為短孔加工，具有簡化操作、節(jié)省夾具、輔具費用等優(yōu)勢，因而在鉸接架同軸孔的加工中仍然采用調(diào)頭鏜孔的加工方法。

1.2 調(diào)頭鏜孔工藝存在的問題與高速調(diào)頭鏜孔對策

由于調(diào)頭鏜孔工藝的特殊性，孔的加工精度主要取決于機(jī)床和刀具的精度，機(jī)床本身存在回轉(zhuǎn)精度不足、進(jìn)刀運動的直線度誤差和工作臺回轉(zhuǎn)時的移動誤差等問題［2］。如果采用普通機(jī)床加工，必然提高對操作工人的技術(shù)要求，加工中不易保證質(zhì)量;同時，調(diào)頭鏜孔效率較低，不利于降低成本，為克服這些不足，還需從工藝方法和設(shè)備選型上采取措施［3］。針對上述問題，在設(shè)計鉸接架零件同軸孔的鏜孔工藝時，選用具有較高回轉(zhuǎn)精度和重復(fù)定位精度的高速臥式加工中心，采用高速調(diào)頭鏜孔工藝，同時改進(jìn)鏜刀桿的結(jié)構(gòu)形式，提高工藝系統(tǒng)的剛度。

2 高速調(diào)頭鏜孔時孔同軸度精度控制

2.1 影響鏜孔同軸度的因素

影響零件兩端孔同軸度精度的因素有工件材料特性、毛坯殘余應(yīng)力、切削力和切削熱及加工工藝路徑等［4］。各種因素的影響如圖2 所示。

圖2 影響鉸接架同軸孔同軸度的主要因素

在上述影響因素中，機(jī)床工作臺回轉(zhuǎn)精度和重復(fù)定位精度、刀具的幾何角度與剛度及切削用量參數(shù)等對加工孔的同軸度精度影響最大。

2.2 同軸度精度控制采取的措施

針對上述影響鉸接架同軸度精度的主要因素，分別采取如下一些措施。

(1)控制機(jī)床工作臺回轉(zhuǎn)精度和重復(fù)定位精度

由圖1，被加工孔的同軸度精度與尺寸精度要求分別為φ0.050 mm 和0.016 mm，因此選用的高速加工中心的相關(guān)精度均應(yīng)小于這兩個數(shù)值。在鉸接架同軸孔的加工中選用的高速加工中心CWK500D 的工作臺回轉(zhuǎn)精度/重復(fù)定位精度為0.008 mm/0.005 mm，軸線反向誤差值為0.013 mm，回轉(zhuǎn)定位精度±3″，能很好地滿足加工要求。

(2)提高工藝系統(tǒng)(主要是刀具系統(tǒng))的剛度

工藝系統(tǒng)的剛度不夠引起的孔的同軸度誤差在孔的加工誤差中占有很大的比重。這里的工藝系統(tǒng)的剛度主要指刀具剛度，而工藝系統(tǒng)其他要素剛度引起的同軸度誤差與刀具剛度引起的誤差相比可以忽略。刀具剛度主要包括刀具系統(tǒng)與機(jī)床主軸的連接剛度和刀桿的剛度。在刀具系統(tǒng)與機(jī)床主軸的連接中，選用HSK 工具系統(tǒng)的刀柄，在高速鏜孔時刀具夾緊更可靠，承載能力更強(qiáng)，更有利于充分發(fā)揮HSK 工具系統(tǒng)高剛度、高精度的性能［5］，從而提高刀具系統(tǒng)與機(jī)床主軸的連接剛度。

由彈性力學(xué)理論可知，高速鏜孔時，鏜桿在主切削力作用下可簡化為如圖3 所示的懸臂梁，刀具在主切削力作用下產(chǎn)生撓曲變形Y，其值在x =L 時達(dá)到最大值，其最大值為:

該值在加工中會附加到孔的同軸度誤差中去。由式(1)可知，高速鏜孔時兩孔的同軸度誤差主要取決于刀桿伸出的長度和和刀桿所受的主切削力。高速加工時主切削力遠(yuǎn)比常規(guī)加工要小，因而高速鏜孔時由主切削力引起的同軸度相較常規(guī)鏜孔也要小得多。

圖3 高速鏜孔時鏜桿簡化的力學(xué)模型

(3)采取合理的冷卻方式

高速鏜孔過程中會產(chǎn)生大量的切削熱，這些熱量的大部分會傳遞給工件，使工件產(chǎn)生熱變形。為減少切削熱對被加工孔同軸度的影響，在加工過程中采用合理的冷卻方式。

3 高速調(diào)頭鏜孔時刀具幾何角度與切削用量的選擇

3.1 刀具幾何參數(shù)的選擇

在高速鏜孔中，對孔的同軸度影響最大的切削力為與鏜桿垂直的切深抗力FP，因而刀具幾何角度的選擇非常重要，不同的加工方法與刀具、工件材料匹配使用的刀具幾何角度不同［6］。在刀具幾何參數(shù)中，刀具前角γ0、主偏角Kr、刃傾角λs和刀尖圓弧半徑rε對切深抗力的影響較大。在加工鑄鐵材料時，當(dāng)γ0增大時，切削力顯著下降，結(jié)合其他情況，前角選20°左右最佳;Kr增加時，F(xiàn)P減小，在保證刀具耐用度的前提下，取Kr=93°;刃傾角增大時，F(xiàn)P減小，在保證刀具強(qiáng)度的前提下，λs盡量取小值，取λs=10°;當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑在0.25 ～2 mm 范圍內(nèi)變化時，隨rε的增大，F(xiàn)P增大，因此γε取值應(yīng)盡量小，考慮到被加工孔的表面粗糙度要求，可取rε≈0.8 mm。

3.2 切削用量的選擇

在切削用量三要素中，在高速加工條件下，隨切削速度的增加，切削力減小，當(dāng)進(jìn)給量f 達(dá)到0.3 mm 時，切削力幾乎與切削速度無關(guān)［7］。至于切削深度ap與進(jìn)給量f 對切削速度的影響，根據(jù)金屬切削理論，其值可由以下經(jīng)驗公式FP≈(0.15 ～0.7)×1 640apf0.84計算。

根據(jù)文獻(xiàn)［6］的論述，影響切削用量的因素很多，在保證安全性和加工質(zhì)量的前提下，通過提高切削用量，降低生產(chǎn)成本，提高加工效率，充分發(fā)揮機(jī)床與刀具的性能，從而獲得最大經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)切削速度、切削深度、進(jìn)給量對切削力的影響關(guān)系，粗加工時可取v =240 ～300 m/min，ap=2.5 ～3 mm，f =0.1 ～0.3 mm/r;精加工時，可取v=520 ～695 m/min，ap=0.1 ～1 mm，f=0.05 ～0.25 mm。

4 結(jié)束語

高速加工技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)，在保證加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率方面具有明顯的優(yōu)勢。壓路機(jī)鉸接架相距較遠(yuǎn)的同軸孔的加工結(jié)合了高速加工技術(shù)與調(diào)頭鏜孔技術(shù)的優(yōu)點，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，適應(yīng)了壓路機(jī)零件多品種、中小批量生產(chǎn)的要求，具有一定的實踐意義。

【1】趙杰，鄭晶.調(diào)頭鏜孔工藝在電機(jī)制造中的應(yīng)用［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2003，2(16):58 －59.

【2】劉裕先，劉北英.調(diào)頭鏜孔理論及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000:68 －79.

【3】周文.高速調(diào)頭鏜孔技術(shù)在壓路機(jī)零件加工中的應(yīng)用研究［J］. 南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報:綜合版，2010，9(3):9 －11.

【4】左敦穩(wěn).現(xiàn)代加工技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005:386 －387.

【5】王貴成，王樹林，董廣強(qiáng).高速加工工具系統(tǒng)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2005:60 －69.

【6】劉戰(zhàn)強(qiáng)，武文革，萬熠.高速切削數(shù)據(jù)庫與數(shù)控編程技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，20091:25 －27.

【7】馮之敬.機(jī)械制造工程原理［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，1999:52 －60.