花鍵形面數(shù)控銑削工藝方法改進(jìn)

■ 航宇救生裝備有限公司 （湖北襄陽(yáng) 441003） 金 鑫 宋 毅 姜忠平 宋 珂

花鍵形面數(shù)控銑削工藝方法改進(jìn)

■ 航宇救生裝備有限公司 （湖北襄陽(yáng) 441003） 金 鑫 宋 毅 姜忠平 宋 珂

在加工中心A軸機(jī)床上加工某典型細(xì)長(zhǎng)薄壁軸類(lèi)零件的花鍵及耳片形面，通過(guò)對(duì)裝卡工裝、刀具選擇及切削要素等方面的改進(jìn)，從單件、小批試制到大批量生產(chǎn)，不僅保證了加工質(zhì)量，還提高了加工效率。

軀干束縛控制機(jī)構(gòu)是飛行員彈射救生系統(tǒng)中的重要組成部分，其主體構(gòu)件花鍵軸（中型件）的各項(xiàng)設(shè)計(jì)工藝精度要求，以及生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量、操作的穩(wěn)定高效，一直是技術(shù)攻關(guān)重點(diǎn)。

1. 工藝要求特點(diǎn)

工件材料為L(zhǎng)C4-CS，采用φ60mm×325mm棒料加工的方式，加工過(guò)程步驟多，材料及加工成本較高。加工花鍵120o±10′及表面粗糙度值Ra=1.6μm等高精度形面，工藝要求高；零件整體結(jié)構(gòu)類(lèi)型為薄壁型細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)（見(jiàn)圖1），結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并不高。

圖 1

2. 原工藝方案存在的問(wèn)題

零件所有回轉(zhuǎn)體的外圓內(nèi)孔形面已由數(shù)控車(chē)削分粗、精方式加工到位，這里我們從車(chē)削后的零件毛坯狀態(tài)與工藝要求的數(shù)銑加工內(nèi)容兩方面考慮，加工過(guò)程分為兩步：第一步，加工花鍵；第二步，加工耳片。第一步操作時(shí)，耳片貼緊A軸卡盤(pán)，為避免干涉，只能加工花鍵，圖2所示為組合圖，表示了銑削加工中心A軸運(yùn)動(dòng)原理及分步加工狀態(tài)。

圖2 原方案組合圖

近年來(lái)，隨著精細(xì)化、精益化工作的開(kāi)展，質(zhì)量、成本目標(biāo)提高，生產(chǎn)批量增大到二三百件，客戶(hù)需求周期不斷縮減，突顯出花鍵軸的數(shù)銑加工操作現(xiàn)狀已不合時(shí)宜，實(shí)際情況為：數(shù)控加工程序?qū)嶋H生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間第一步為50min/件，第二步為25min/件；輔助找正耗時(shí)15min，共18個(gè)動(dòng)作，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。多年批產(chǎn)的情況表明，偶有質(zhì)量狀況發(fā)生，如夾持表面損傷，A軸旋轉(zhuǎn)過(guò)切，長(zhǎng)度方向（X軸向）過(guò)切、深度方向（Z軸向）過(guò)切等。

召集相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)、操作人員進(jìn)行了專(zhuān)題討論，每個(gè)與會(huì)者從不同角度各抒己見(jiàn)，從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)（5M1E）等方面歸納分析了花鍵軸數(shù)銑工序生產(chǎn)周期影響因素，找到具體原因，分別采取以下改進(jìn)措施。

3. 針對(duì)裝卡工裝的改進(jìn)

（1）夾具設(shè)計(jì)與制作：經(jīng)查看工藝，對(duì)零件實(shí)物批量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，零件端部?jī)?nèi)孔φ25+0.25+0.10mm ×22+0.50+0mm為數(shù)車(chē)加工，尺寸一致，均為φ25.18mm×22.10mm，確定可以利用它（見(jiàn)圖1左端）。運(yùn)用膨脹、自定心原理，選取合適錐度，利用該內(nèi)孔臺(tái)階結(jié)構(gòu)傳遞尾座頂持推力，從而膨脹、夾持φ25+0.25+0.10mm內(nèi)孔，設(shè)計(jì)了自定心心軸，圖3所示為膨脹心軸實(shí)物分體圖。

圖3 膨脹心軸分體圖

（2）操作過(guò)程與效果：改原有的卡頂裝夾方式為雙頂裝夾方式，以零件兩端φ25mm、φ22mm內(nèi)孔為定位基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)心軸工裝完成工件的定位與夾持，卡盤(pán)一端利用心軸的錐度自定心原理，解決φ25mm定位內(nèi)孔帶來(lái)的配合間隙問(wèn)題。利用尾座一端φ22mm內(nèi)孔的臺(tái)階結(jié)構(gòu)，傳遞頂尖推力，完成工件的定位和夾緊。裝夾過(guò)程分為松尾座→取下已加工零件→清理安裝面→放入下一工件→上緊尾座等5個(gè)步驟，生產(chǎn)加工中，沒(méi)有零件從夾具中松脫而產(chǎn)生振動(dòng)的現(xiàn)象，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他質(zhì)量隱患。首件調(diào)試找正時(shí)間僅為5～8min，批量加工時(shí)的零件裝卸時(shí)間均少于2min，勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低。

（3）優(yōu)點(diǎn)：①簡(jiǎn)化了安裝步驟，縮短了工件基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換時(shí)的重復(fù)裝夾和找正過(guò)程；零件加工所需的A軸起始角度，由原來(lái)的每件、每步都需要找正及輸入數(shù)據(jù)，改進(jìn)為首件一次找正、本批次全部受用。②定位心軸在裝夾過(guò)程中清理方便、快捷；人為參與的實(shí)操環(huán)節(jié)大量減少，安全情況全面改善。③加工區(qū)域接近卡盤(pán)與尾座兩端支撐點(diǎn)，所以零件中段完全由管體自主支撐，基本上可以滿(mǎn)足加工強(qiáng)度要求。

4. 針對(duì)所選刀具走刀方式的改進(jìn)

（1）刀路設(shè)計(jì)與制作：加工形面如圖3所示，花鍵端面與耳片相鄰面僅有5mm，花鍵側(cè)面加工選用刀具直徑≤10mm，不可切傷耳片，所以刀具刃尖只能伸出4.5mm，花鍵側(cè)面精切由φ8mm立銑刀完成（見(jiàn)圖1中的B-B剖視圖）。

新方案中刀具路徑沿X軸往返切削，A軸旋轉(zhuǎn)均勻步進(jìn)，共同完成花鍵的銑削。刀具借助工件上的退刀槽，不留加工死角，可以發(fā)揮設(shè)備直線(xiàn)快速進(jìn)給的優(yōu)勢(shì)。圖4、圖5所示為新舊刀路對(duì)比。

圖4 原方案A軸旋轉(zhuǎn)走刀原理

圖5 新方案X軸直線(xiàn)進(jìn)給原理圖

（2）切削過(guò)程與效果：加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)X軸作主切削運(yùn)動(dòng)，A軸步距越小，花鍵間的圓弧面φ29-0.03-0.25mm擬合越好，但步距較小時(shí)切削效率明顯下降，去屑時(shí)間加長(zhǎng)。經(jīng)調(diào)試，要想同時(shí)取得高的切削效率和好的圓弧擬合效果，經(jīng)電腦模擬和試切，基本確認(rèn)A軸步進(jìn)角度在1.5o～2o之間（見(jiàn)圖6）。

圖6 X軸走刀紋路實(shí)物圖

（3）優(yōu)點(diǎn)：加工效率提高40%，零件尺寸與表面質(zhì)量均滿(mǎn)足要求，大幅減少A軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損的幾率。

5. 針對(duì)切削三要素的改進(jìn)

（1）參數(shù)設(shè)計(jì)與調(diào)試：在滿(mǎn)足工藝尺寸精度要求、直線(xiàn)軸速度受機(jī)床極限控制的前提下，可選用無(wú)切削定位速度f(wàn)max=4 000～6 000mm/min。粗加工時(shí)，進(jìn)給速度可選用3 000 mm/min，切削深度2～4mm；精加工時(shí)，進(jìn)給速度只可選用1 600mm/min，切削深度0.2～0.4mm。在高進(jìn)給的同時(shí)，關(guān)注主進(jìn)給直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向方式，以小圓弧運(yùn)動(dòng)來(lái)緩解拐彎折點(diǎn)機(jī)床慣性沖擊。經(jīng)調(diào)試確認(rèn)第4套切削參數(shù)（見(jiàn)表1）較為適合，滿(mǎn)足所要求的加工質(zhì)量和效率。

表1 切削參數(shù)極限調(diào)試表

（2）實(shí)操過(guò)程與效果：通過(guò)實(shí)際加工可知，①切削進(jìn)給速度過(guò)高時(shí)，刀具有明顯磨損現(xiàn)象。②切削深度較大時(shí)，零件有輕微振動(dòng)。③刀具轉(zhuǎn)速必須與切削進(jìn)給速度匹配，從而得到較好的表面粗糙度值。

（3）優(yōu)點(diǎn)：適當(dāng)?shù)剡x配切削三要素，對(duì)效率、質(zhì)量都有幫助，單件加工時(shí)間又減少了14min以上，可以進(jìn)行批量生產(chǎn)。

6. 新舊方案效果對(duì)比

這是一次具有典型代表意義的工藝改進(jìn)活動(dòng)，新舊方案詳細(xì)效果對(duì)比如表2所示。

通過(guò)本次工藝改進(jìn)，取得了一些成功經(jīng)驗(yàn)。降低了花鍵軸零件的生產(chǎn)準(zhǔn)備和占機(jī)時(shí)間，提高了A軸加工中心設(shè)備的利用率，以此為起點(diǎn)，逐步完善花鍵形面的數(shù)控銑削技術(shù)；以高效穩(wěn)定的加工方案，提升應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求的快速反應(yīng)能力。以此次活動(dòng)為新的起點(diǎn)，打破已有的固化思路，全面探索、完善數(shù)控銑削夾具、刀具和機(jī)床等方面的綜合運(yùn)用能力，充實(shí)數(shù)銑加工技術(shù)的模塊化、成組化內(nèi)涵。

表2 新舊方案效果對(duì)比表

［1］李福生. 數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊(cè)［M］. 北京：北京出版社，1996.

［2］王先逵. 機(jī)械制造工藝學(xué)［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］揚(yáng)可楨. 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，1989.

［4］陳家坊. 最新金屬切削加工工藝實(shí)用手冊(cè)［M］.上海：金盾出版社，2006.

［5］陳宏鈞. 金屬切削常用標(biāo)準(zhǔn)工具手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

20150916）