高精度陀螺支架的加工

■西安北方光電科技防務(wù)有限公司 （陜西西安 710043） 趙晉強 韓 梅 秦 剛 趙宏建

陀螺支架零件的加工是制造業(yè)的一個技術(shù)難點。陀螺支架屬于高精度零件，零件孔的幾何公差要求嚴(yán)格。陀螺支架分為幾種類型，其中的薄壁懸空型零件結(jié)構(gòu)如圖1所示。該零件加工中產(chǎn)生振動非常嚴(yán)重，切削過程讓刀嚴(yán)重，并且讓刀方向難確定，致使加工精度難以保證。陀螺支架是整個產(chǎn)品的關(guān)鍵部件之一，其加工質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的裝配和使用性能。

圖1 薄壁懸空型陀螺支架

1. 陀螺支架的加工難點

公司有幾種產(chǎn)品使用陀螺支架類零件。其技術(shù)要求為：加工孔同軸度0.01m m，加工端面與孔的垂直度0.01m m，兩孔相交線過加工定位基準(zhǔn)孔不相交度＜0.02mm。加工面加工孔的表面粗糙度值Ra=0.8μm。

2. 加工中存在的問題

實際加工后零件孔的同軸度為0.01～0.03mm，加工過程中有鏜孔鏜不圓的現(xiàn)象（主要是銑孔時出現(xiàn)啃刀現(xiàn)象和振動過大造成的），銑面垂直度為0.03mm，表面粗糙度值Ra=1.6μm或更大，無法滿足設(shè)計及圖樣要求。

經(jīng)分析，造成表面粗糙度、垂直度和同軸度超差等的原因如下。

（1）加工應(yīng)力變形 影響加工精度的主要誤差源包括機床的幾何精度，加工工藝系統(tǒng)的受力變形、熱變形與切削力變形，刀具的磨損以及計測誤差等。該陀螺支架零件整個切削加工材料去除率達(dá)到85%以上，由此可知，在零件的加工過程中會產(chǎn)生相當(dāng)大的加工應(yīng)力。加工過程經(jīng)過兩次熱處理工藝，半精加工的幾個尺寸采用線切割減小零件變形。但經(jīng)表面處理后的精加工中，由于零件壁厚的降低，零件本身的剛性以及裝夾的工藝剛性降低，加工變形增大，非常容易發(fā)生切削振顫，嚴(yán)重影響零件加工質(zhì)量。因此，消除加工變形是保證陀螺支架各項技術(shù)要求的首要條件。

（2）工藝路線安排 在考慮工藝路線時，需要合理安排粗加工、半精加工、精加工以及時效等去應(yīng)力工序，去應(yīng)力是減小零件變形的重要因素之一。人工時效簡單快捷，但會有應(yīng)力殘留，且根據(jù)多年的加工經(jīng)驗，筆者認(rèn)為，人工時效對鋁合金材料應(yīng)力釋放作用較??；自然時效加長了加工周期，但釋放相當(dāng)徹底，需要綜合考慮。精加工工序的余量安排是影響零件加工的重要因素之一，余量過多，會帶來新的應(yīng)力；余量過少，會無法修正圓的現(xiàn)狀，無法保證圓柱度和垂直度等幾何公差，需要經(jīng)過試加工摸索。

（3）裝夾方式 在零件加工工藝路線中，最后工序的加工安排在表面處理后（增加自然失效時間的方案之一）。精車定位基準(zhǔn)孔和精加工陀螺支架孔是保證零件重要特性和裝配要求的關(guān)鍵工序，由于支架安裝孔的幾何公差在精鏜孔工序保證，因此支架零件的裝夾方式、夾緊力對于變形的影響非常大。

3. 解決方案

1）在加工過程逐步消除應(yīng)力。由于陀螺支撐架去除材料達(dá)到85%以上，所以應(yīng)在粗加工后自然時效，半精加工中逐步去除內(nèi)應(yīng)力，在半精加工后自然時效30天以上（半精加工后可以根據(jù)情況進(jìn)行表面處理、表面精飾），根據(jù)產(chǎn)品需要進(jìn)行精加工。通過工序間的自然時效去除加工應(yīng)力，在精加工前將加工應(yīng)力完全釋放出來。

針對最后鏜孔精加工精度情況，首先要注重加工設(shè)備的選擇，根據(jù)加工內(nèi)容采用臥式鏜銑加工中心。精加工位置度要求±0.02mm，X軸、Y軸的重復(fù)定位要求保證在0.005mm以內(nèi)，鏜孔與銑削面要求垂直度0.01mm，要求設(shè)備的主軸軸向圓跳動在0.003mm。

加工余量根據(jù)加工試驗合理確定到具體值，鏜孔直徑0.4mm。鏜刀采用R=0.1mm鎢鈷類硬質(zhì)合金刀片。鏜孔時采用2把鏜刀，粗鏜刀鏜到余量0.15mm，精鏜孔鏜到設(shè)計尺寸。切削參數(shù)為：轉(zhuǎn)速200r/min，進(jìn)給速度35mm/min。切削液關(guān)。端面銑削余量0.5m m，分兩層進(jìn)行切削，第一層切削深度0.42m m，留0.08mm進(jìn)行精切削一層（采用φ5mm合金銑刀，轉(zhuǎn)速450r/min，進(jìn)給速度80mm/min），切削用量是經(jīng)過加工驗證的。

2）針對鏜孔振顫情況，加工位置的支撐筋薄弱，相應(yīng)的剛度非常低，加工工藝性差。在制定加工工藝路線時，要考慮如何解決加工變形及切削振顫問題，如何增加零件的剛度，減少切削時的振顫，提高表面粗糙度等級，保證幾何公差中的垂直度要求，滿足裝配要求。在最后的鏜孔精加工中，裝夾夾具應(yīng)保證不產(chǎn)生定位誤差、變形及安裝誤差，夾具定位孔端面要與實際定位孔底面高度重合，保證位置度要求，因此應(yīng)考慮如何裝夾且增加輔助支撐。經(jīng)過多種輔助支撐方式的嘗試，摸索出泡沫軟支撐加工方法，如圖2所示。泡沫傾斜角度約3°，使用時從一面插入，感受松緊度并搖晃，使其接觸相對緊密。目前正在定制專用泡沫支撐件。經(jīng)過70件的加工驗證，證明不僅可以減少鏜孔的振顫，提高銑面的表面質(zhì)量，而且不影響加工位置精度。

圖2 泡沫軟支撐法加工

4. 結(jié)語

文中所述陀螺支架零件的精加工方法，其關(guān)鍵在于消除加工過程中的振動對零件加工精度的影響。大膽采用輔助軟支撐解決加工振顫難題，為同類框架類零件的加工提供了解決辦法，對今后類似支撐類零件的生產(chǎn)加工具有一定的借鑒作用。

專家點評

本例中陀螺支架零件加工的創(chuàng)新點在于：①在加工過程中分步時效，通過工序間的自然時效逐步去除應(yīng)力，在最終精加工之前將零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力完全釋放出來。②優(yōu)化裝夾方式，大膽采用泡沫軟支撐方法消除切削振顫對零件加工精度的影響。

以上解決方案通俗易懂、簡單實用，為同類零件的加工提供了新的工藝途徑。