大型薄壁液壓缸筒數(shù)控加工技術(shù)

許軍鋒 申國慶 曹媛媛 肖麗媛 端學(xué)東 原海芳 俞 飛

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大型薄壁液壓缸筒數(shù)控加工技術(shù)

許軍鋒 申國慶 曹媛媛 肖麗媛 端學(xué)東 原海芳 俞 飛

（山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，長(zhǎng)治 046012）

針對(duì)薄壁液壓缸筒數(shù)控加工過程中的重點(diǎn)及難點(diǎn)，分別從加工方法、切削參數(shù)優(yōu)化、刀具選擇、裝夾方式、設(shè)備選擇、變形控制等方面，對(duì)三類典型零件特征的加工過程進(jìn)行了深入系統(tǒng)的分析，并分別提出了解決措施。經(jīng)實(shí)際加工驗(yàn)證，有效消除了加工顫動(dòng)現(xiàn)象，提高了刀具耐用度，保證了零件的表面質(zhì)量及精度要求。

薄壁缸筒；數(shù)控加工；精度控制；質(zhì)量

1 引言

缸筒的內(nèi)徑與壁厚比/≥16為薄壁缸筒[1]。航天各型號(hào)中的起豎液壓缸的各級(jí)缸筒大多為薄壁缸筒。起豎液壓缸是各型號(hào)產(chǎn)品中的關(guān)鍵零部件，其性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能和安全。缸筒結(jié)構(gòu)如圖1所示，其尺寸精度、粗糙度及形位公差要求較高。

圖1 缸筒二維結(jié)構(gòu)示意圖

薄壁缸筒在加工過程中易變形，加工精度比較難控制，給數(shù)控加工帶來很大難度[2]，本文主要從加工方法、切削參數(shù)優(yōu)化、刀具選擇、裝夾方式、設(shè)備選擇、變形控制等方面，對(duì)三類典型零件特征的加工過程進(jìn)行了深入系統(tǒng)的分析，并制定了具體的加工方案。

2 技術(shù)方案

加工特征主要有：外槽、內(nèi)槽、臺(tái)階面、螺紋等,壁厚一般約為10mm,外寬槽寬度約為25mm，深槽的單邊深度一般約為8～10mm。

缸筒的主要工藝流程：粗車—粗鏜內(nèi)孔—熱處理—粗車—精鏜內(nèi)孔—半精車—精磨內(nèi)孔—精車—磨外圓—拋光。

該類零件在加工過程中，主要有以下難點(diǎn)和重點(diǎn)問題：

a. 缸筒的圓柱度要求為0.05mm以內(nèi)，不易保證，需對(duì)加工過程進(jìn)一步優(yōu)化完善；

b. 內(nèi)外槽的粗糙度要求為a1.6μm，不易保證，需對(duì)加工方法、刀具切削參數(shù)及數(shù)控加工的刀路軌跡進(jìn)行優(yōu)化完善；

c. 各級(jí)缸筒為長(zhǎng)徑比比較大的薄壁缸筒、在車削外圓時(shí)，容易發(fā)顫，影響加工質(zhì)量，需采取防顫措施，并對(duì)數(shù)控加工軌跡進(jìn)行優(yōu)化完善；

d. 為保證內(nèi)孔的形位公差要求，在磨削內(nèi)孔時(shí)，基準(zhǔn)帶的圓度應(yīng)小于0.01mm，需對(duì)基準(zhǔn)帶的加工方法進(jìn)行優(yōu)化完善。

2.1 數(shù)控設(shè)備、刀具的選擇及加工參數(shù)

為保證零件的加工精度，減少加工顫動(dòng)現(xiàn)象，提高刀具的耐用度，對(duì)相關(guān)設(shè)備及工藝裝備提出了更高的要求：數(shù)控設(shè)備的徑向及軸向跳動(dòng)量應(yīng)小于0.01mm，及向行程應(yīng)能滿足零件的加工要求；中心支架的徑向跳動(dòng)量應(yīng)小于0.003mm，頂尖的徑向跳動(dòng)量應(yīng)小于0.01mm。

內(nèi)外圓粗車刀尖角圓弧建議選用0.8mm，精車刀尖圓弧半徑建議選用0.4mm；精車槽刀建議選用3mm寬刀片[3]，結(jié)合加工實(shí)際，并依據(jù)相關(guān)刀具樣本，選用合適的槽型。工件的調(diào)質(zhì)硬度一般為HRC28～32，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，加工參數(shù)選擇如下：

粗車內(nèi)外圓參數(shù)：=110～118m/min，=0.22～0.25mm/r，a=2～3mm；

精車內(nèi)外圓參數(shù)：=110～118m/min，=0.1～0.12mm/r，a=0.25mm；

粗精車內(nèi)外槽參數(shù)：=90～100m/min，=0.08～0.1mm/r。

圖2 專用的定制刀桿

在加工內(nèi)孔時(shí)，刀具容易顫動(dòng)，為提高內(nèi)孔刀具剛性，需定制一些刀桿，然后把刀具安裝在刀桿上，如圖2所示。

2.2 坐標(biāo)系的選擇要求

加工坐標(biāo)系的選擇注意遵循以下原則：

a. 坐標(biāo)原點(diǎn)的選擇盡量與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)重合；

b. 坐標(biāo)原點(diǎn)的選擇應(yīng)便于數(shù)值計(jì)算；

c. 坐標(biāo)原點(diǎn)應(yīng)選在容易找正、對(duì)刀，并在加工過程中便于檢查的位置；

d. 粗加工零點(diǎn)，分別選擇兩端面中心位置；

e. 半精及精車在加工兩端內(nèi)圓時(shí)，主要選在端面中心位置；兩頂加工外圓時(shí)，為方便對(duì)刀，坐標(biāo)零點(diǎn)可以設(shè)置在圖3所示外圓根部位置。

圖3 坐標(biāo)位置示意圖

2.3 典型特征加工方法

2.3.1 槽加工

缸筒中的槽主要有內(nèi)圓槽及外圓槽兩種，槽底及槽壁的粗糙度值一般為a1.6μm。加工時(shí)，需依據(jù)其加工精度并結(jié)合相關(guān)粗糙度要求，制定具體的加工方案，一般要求如下：對(duì)于螺紋退刀槽、越程槽及通油槽等技術(shù)要求不高的，可以在半精車時(shí)，一次加工成形；對(duì)于要求高的密封槽，在加工時(shí)，需分粗車、半精車及精車等工步。粗車時(shí)，槽壁留余量1mm，槽底留余量0.5mm；半精車及精車時(shí)，為保證切削力保持基本恒定，進(jìn)給速度應(yīng)換算為輪廓速度。

槽粗加工時(shí)，可以使用交替分層方法進(jìn)行連續(xù)車削加工，每層首次切削加工時(shí)，將進(jìn)給量相應(yīng)降低約25%，若斷屑效果不好，則采用斷續(xù)加工。在加工淺寬槽時(shí)，先用菱形刀進(jìn)行半精及精車槽壁和槽底，然后使用槽刀或者菱形刀反向接刀，如圖4所示。

圖4 寬槽半精車及精車刀路軌跡示意圖

窄深槽加工時(shí)，先精車槽壁，然后半精車槽底，最后光整槽壁，并精車槽底，如圖5所示。

圖5 窄槽半精車及精車軌跡示意圖

2.3.2 螺紋特征的加工

缸筒中所包含的螺紋特征一般為公制螺紋，牙型角為60°。內(nèi)、外圓螺紋的加工質(zhì)量對(duì)后續(xù)裝配影響較大，其牙型尖棱處應(yīng)倒鈍處理。在滿足技術(shù)要求的前提下，可以選用多種加工方法，具體要求及方法如下：

a. 加工螺紋時(shí)，可以使用單一螺紋循環(huán)指令G92或者復(fù)合螺紋循環(huán)指令G76編程。首刀加工深度一般不超過0.6mm，并逐漸遞減，并依據(jù)實(shí)際情況，增加精加工刀路或者光整加工刀路。

b. 加工時(shí)，建議選用定螺距刀具，由于內(nèi)外牙型不同，內(nèi)外定螺距刀片不可混用。

c. 螺紋加工完成后，應(yīng)使用菱形刀具，沿牙頂至牙底，去除毛刺飛邊，徑向加工余量約為0.1～0.15mm，或者使用槽刀，車去約1/6圈螺紋，具體應(yīng)根據(jù)其螺距大小而定。

d. 螺紋倒角一般為45°，若后續(xù)工序需要使用，則應(yīng)加工為30°，且其大小應(yīng)超過螺紋底徑，具體情況還應(yīng)符合相關(guān)工藝技術(shù)要求。

e. 螺紋的加工方法主要有三種：直進(jìn)法、斜進(jìn)法、左右交替加工法，如圖6所示。直進(jìn)法適合加工螺距小于3mm的螺紋，G92、G33指令為直進(jìn)法加工螺紋；較大螺距的螺紋加工，可以選用斜進(jìn)法，G76指令即為斜進(jìn)法加工螺紋；另外，對(duì)于薄壁零件中的螺紋，為減少加工顫動(dòng)現(xiàn)象，選用交替分層加工，且需編制專門的加工宏程序。使用此方法，可實(shí)現(xiàn)恒切深加工，且切寬基本恒定，在加工過程中，可有效降低切削力，保持連續(xù)穩(wěn)態(tài)加工，刀具壽命較高，加工質(zhì)量容易保證。

圖6 螺紋車削方法

2.3.3 基準(zhǔn)帶加工

在缸筒加工時(shí)，需反復(fù)精修基準(zhǔn)帶，基準(zhǔn)帶的加工精度，會(huì)影響后續(xù)工序的加工質(zhì)量，基準(zhǔn)帶如圖7所示。

圖7 基準(zhǔn)帶示意圖

基準(zhǔn)的加工方法主要有以下幾種：

a. 精度要求不高的基準(zhǔn)帶，可以采用一夾一頂方式直接加工成形，比如用于深孔鏜工序中的基準(zhǔn)帶加工。

b. 精度要求高的基準(zhǔn)帶，可以采用兩頂方式加工，具體過程：先在靠近主軸一側(cè)加工一條基準(zhǔn)，然后掉頭，在主軸一側(cè)加工另一條基準(zhǔn)帶，并進(jìn)行精確測(cè)量。

c. 在能滿足加工精度的情況下，精度高的基準(zhǔn)帶，也可采用一夾一頂?shù)姆绞郊庸?。加工時(shí)，應(yīng)把尾座的壓力適當(dāng)調(diào)小，一般約為1MPa，并依據(jù)實(shí)際設(shè)備情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2.3.4 其它注意事項(xiàng)

a. 精鏜完成后，先接刀，若所鏜內(nèi)孔中心軸線偏差超過0.25mm，應(yīng)選擇四個(gè)均布的點(diǎn)，并在相應(yīng)位置標(biāo)出具體偏差值，然后在主軸端重新精修外圓基準(zhǔn)帶；

b. 在兩頂精車外圓時(shí)，為減少加工顫動(dòng)現(xiàn)象，缸筒內(nèi)壁可適當(dāng)填充棉紗等，并用圓形PE板進(jìn)行封堵，或者在內(nèi)壁支撐減振工裝。

c. 在加工槽時(shí)，容易出現(xiàn)顫動(dòng)現(xiàn)象，解決的主要的措施：一是選擇合適的刀具及加工參數(shù)，另一方面可以通過不斷調(diào)整轉(zhuǎn)速的方法，減少顫動(dòng)現(xiàn)象。

3 加工效果

表1 加工效果對(duì)比表

通過上述綜合技術(shù)改進(jìn)，螺紋、槽及基準(zhǔn)帶的加工精度得到明顯提升。采用交替分層法加工螺紋，基本消除了加工過程的顫動(dòng)現(xiàn)象，有效控制了加工變形。對(duì)槽壁進(jìn)行光整加工，消除了槽寬帶梢現(xiàn)象，具體效果如表1所示。

4 結(jié)束語

通過對(duì)相關(guān)特征加工方法的優(yōu)化完善，對(duì)刀具、工藝裝備、切削參數(shù)的優(yōu)化選擇等，進(jìn)一步提升了產(chǎn)品的加工質(zhì)量，保證了產(chǎn)品的技術(shù)要求，為相似產(chǎn)品的加工提供了成功范例，具有很好的推廣價(jià)值。

1 王威. 薄壁缸筒擠壓穩(wěn)態(tài)加工技術(shù)研究[J]．航天制造技術(shù)[J]，2016(3)：51～55

2 胡增榮. 淺論薄壁液壓缸筒精加工夾緊變形問題[J]．精密機(jī)械與制造，2010(3)：53～55

3 劉獻(xiàn)禮，岳彩旭，翟元盛，等. 數(shù)控刀具選用指南[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014

NC Machining Technology of Large Thin-walled Cylinder

Xu Junfeng Shen Guoqing Cao Yuanyuan Xiao Liyuan Duan Xuedong Yuan Haifang Yu Fei

(Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046012)

Aiming at the key and difficult points in the process of NC machining, the processing process of three kinds of typical parts is analyzed in depth and systematically from the aspects of processing method, cutting parameter optimization, tool selection, clamping mode, equipment selection, deformation control and so on. The solving measures are put forward separately. The actual processing proves that the chattering phenomenon is effectively eliminated. The tool durability is improved, and the surface quality and accuracy requirements of the parts are guaranteed.

thin-walled cylinder；NC machining；accuracy control；quality

許軍鋒（1978），高級(jí)工程師，數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)；研究方向：數(shù)控編程、仿真及復(fù)雜零件數(shù)字化制造。

2019-02-27