轉(zhuǎn)鼓式飛剪缸孔高效光整加工技術(shù)研究及應(yīng)用

李雷 殷方游 陳華 林松

(1.二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000；2.四川省技術(shù)轉(zhuǎn)移中心，四川 成都 610041)

上、下轉(zhuǎn)鼓是轉(zhuǎn)鼓式飛剪中的關(guān)鍵件，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且制造技術(shù)要求高，特別是裝鎖緊缸位置的孔系加工，該孔為臺階孔，深度深，精度高(表面粗糙度需達(dá)到Ra0.8 μm)，加工難度極大。目前，該孔系的加工方法通常采用鏜削或珩磨完成，不僅產(chǎn)品質(zhì)量難以保證，而且加工效率極低。通過研究公司常規(guī)850～2250 mm軋機(jī)中轉(zhuǎn)鼓式飛剪缸孔的規(guī)格、加工工藝方法，以及中小型深孔高精度加工效率提升工藝方法和手段：珩磨、拋磨、滾壓等，設(shè)計一種新型通用高精度孔表面光整刀具，對轉(zhuǎn)鼓式飛剪的缸孔孔系的加工工藝方法進(jìn)行固化，提高加工效率，穩(wěn)定零件加工質(zhì)量，降低產(chǎn)品生產(chǎn)制造成本，并為同類型孔的高效精加工提供借鑒。

1 轉(zhuǎn)鼓式飛剪缸孔的加工難點(diǎn)

轉(zhuǎn)鼓的材料通常為42CrMo鍛件，調(diào)質(zhì)后抗拉強(qiáng)度為690～890 MPa，屈服強(qiáng)度≥500 MPa，具有較高的強(qiáng)度及韌性，但導(dǎo)熱性較低。刀具在切削過程中所承受的切削力相對較大，刀尖溫度高，易磨損，刀具壽命低。特別是鎖緊缸位置的孔系加工，該組孔為階梯式盲孔，不僅尺寸精度要求高，表面粗糙度要求為Ra0.8 μm，而且孔深>200 mm，屬于深孔加工范圍(如圖1所示)。加工此孔的難點(diǎn)如下：

圖1 轉(zhuǎn)鼓式飛剪缸孔示意圖

(1)選擇合理的工藝方案是高效、高質(zhì)加工該組缸孔的關(guān)鍵。

(2)公司軋鋼設(shè)備長線產(chǎn)品規(guī)格為850～2250 mm，轉(zhuǎn)鼓式飛剪壓緊缸缸孔的尺寸不一致，需設(shè)計一種通用型高精度孔表面光整刀具。

(3)確定各項切削參數(shù)是穩(wěn)定產(chǎn)品加工質(zhì)量的重要條件。

2 加工方案的確定

針對轉(zhuǎn)鼓式飛剪缸孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)，分別對鏜削、珩磨、滾壓三種常規(guī)孔精加工方法進(jìn)行分析、比較，并確定最終工藝方案。

2.1 精密鏜削

通過對缸孔的結(jié)構(gòu)、精度及材料分析，選擇調(diào)整精度為0.01 mm的精鏜刀及IC20N金屬陶瓷刀片進(jìn)行缸孔精鏜加工，通過“正交實驗法”進(jìn)行切削試驗，以尋求最佳切削參數(shù)。試驗結(jié)果表明：在數(shù)控鏜床上加工，當(dāng)孔深≤100 mm時只要選擇合理的切削參數(shù)，就能滿足圖紙的各項技術(shù)要求，表面粗糙度達(dá)Ra0.8 μm。但孔深加深后，刀具會產(chǎn)生振刀現(xiàn)象，刀尖磨損嚴(yán)重(如圖2所示)，最好的表面粗糙度只能達(dá)到Ra1.6 μm，并且圓度和圓柱度均難以保證。

圖2 刀尖磨損照片及有限元分析

2.2 珩磨加工

珩磨頭上安裝有若干條油石，通過調(diào)整機(jī)構(gòu)將油石徑向脹開，與被加工孔的孔壁相接觸并產(chǎn)生一定的擠壓力，加工時機(jī)床主軸進(jìn)給并帶動珩磨頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)及往復(fù)綜合運(yùn)動，實現(xiàn)對孔表面的光整加工(如圖3所示)。珩磨前必須嚴(yán)格控制被加工孔的各項形位公差，通常直徑按上差加工，表面粗糙度需達(dá)Ra3.2 μm以上。珩磨過程中的油石運(yùn)動軌跡通過MATLAB建模仿真在空間上呈螺旋線(如圖4所示)，由于被加工孔較深，為保證孔底精度與其它部位的精度一致，需選用長油石，并提高轉(zhuǎn)速在孔底多駐留一段時間，可有效保證缸孔的圓度及圓柱度要求，珩磨后表面粗糙度達(dá)Ra0.4～0.6 μm，優(yōu)于設(shè)計要求。

圖3 珩磨加工示意圖

圖4 油石運(yùn)動軌跡示意圖

此方法雖然能夠滿足各項技術(shù)要求，但是效率較低，精加工一組缸孔(12個)通常需要12～16 h。在加工過程中，油石易受磨損，若進(jìn)行更換和修正需要大量的時間。

2.3 滾壓加工

滾壓加工是無屑光整加工的一種，是用高硬度滾柱對被加工的金屬表面進(jìn)行滾壓，使被加工表面發(fā)生塑性變形，將凸起部分填充到相鄰的凹谷中，使其平整的一種加工方法(如圖5所示)。通過試驗，滾壓加工一組缸孔只需60 min左右，表面粗糙度很容易就達(dá)到Ra0.6～0.8 μm，并且孔的圓度及圓柱度也略有提高。

圖5 滾壓加工原理圖

2.4 鏜、珩磨及滾壓技術(shù)加工缸孔的優(yōu)缺點(diǎn)分析

(1)精鏜加工

優(yōu)點(diǎn)：孔直徑加工范圍大，輔助時間少。

缺點(diǎn)：當(dāng)被加工孔的深度尺寸≥100 mm時，表面粗糙度Ra為0.8 μm并且相關(guān)形狀公差難以保證。

(2)珩磨加工

優(yōu)點(diǎn)：相對于鏜孔來說，能夠容易達(dá)到較高的加工精度及表面粗糙度要求，并且質(zhì)量穩(wěn)定。

缺點(diǎn)：輔助時間長，加工過程中需換珩磨油石，效率較低。預(yù)加工孔的尺寸及形位公差均需有一定的精度要求，否則難以保證珩磨質(zhì)量。

(3)滾壓加工

優(yōu)點(diǎn)：加工和輔助時間少，加工精度及效率相對較高。

缺點(diǎn)：滾壓頭的調(diào)整范圍小，一般直徑調(diào)整范圍在0.5 mm左右，通用性較差。

2.5 對比分析結(jié)果

通過以上對比分析可知，鏜削在加工深度尺寸≥100 mm時，難以保證加工質(zhì)量；珩磨輔助時間長，加工效率較低；只有滾壓加工效率相對較高，但是受滾壓頭調(diào)整范圍的影響，通用性較差，只要解決滾壓裝置的通用性問題，就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓式飛剪壓緊缸缸孔的高效加工。

3 方案優(yōu)化與實施

根據(jù)分析結(jié)果，對轉(zhuǎn)鼓式飛剪壓緊缸缸孔加工工藝方案進(jìn)行優(yōu)化、驗證、實施并固化各項參數(shù)。

3.1 缸孔規(guī)格統(tǒng)計研究

對公司規(guī)格為850～2250 mm的長線軋鋼設(shè)備中的轉(zhuǎn)鼓式飛剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并統(tǒng)計、分析上/下轉(zhuǎn)鼓壓緊缸缸孔的規(guī)格。分析研究結(jié)果得出，現(xiàn)有轉(zhuǎn)鼓壓緊缸缸孔的結(jié)構(gòu)均為臺階式盲孔(如圖6所示)，缸孔表面粗糙度Ra為0.8～1.6 μm，深度范圍L為230～345 mm，3種孔徑規(guī)格D分別為：?100H8、?122H8、?125H8。

圖6 缸孔結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 刀具設(shè)計

根據(jù)以上分析可知，采用滾壓的方式對缸孔進(jìn)行精加工不僅能夠滿足設(shè)計要求而且加工效率高。但現(xiàn)有的滾壓工具均為整體式結(jié)構(gòu)，通用性較差，無法滿足多種規(guī)格類型的孔加工。因此根據(jù)現(xiàn)有滾壓工具的規(guī)格以及轉(zhuǎn)鼓式飛剪鎖緊缸缸孔的種類、規(guī)格、精度的要求，設(shè)計了一種新型快換型分體式結(jié)構(gòu)的滾壓裝置(如圖7所示)，該裝置直徑方向的調(diào)整精度為0.0025 mm，可方便、快速地“換頭”和“接桿”，能夠滿足公司長線軋鋼設(shè)備中各類轉(zhuǎn)鼓式飛剪壓緊缸缸孔深度及直徑變化的加工要求。

圖7 新型可換頭接桿式滾壓裝置

3.3 加工參數(shù)分析及選擇

分析研究新型滾壓裝置的各項參數(shù)之間的相互關(guān)系，如：主軸轉(zhuǎn)數(shù)、進(jìn)給量及滾壓量，以及對被加工表面粗糙度及尺寸等方面的影響規(guī)律，對提高產(chǎn)品加工質(zhì)量、效率及參數(shù)固化有重要意義[1]。

(1)滾壓量

被加工內(nèi)孔與滾壓頭之間的尺寸差，稱為滾壓量。在加工過程中，滾壓量的大小不僅直接關(guān)系到被加工孔的最終加工質(zhì)量，同時對滾壓裝置的使用壽命也有較大影響，甚至直接影響滾壓的正常運(yùn)行。

傳統(tǒng)切削加工中，各項切削參數(shù)值設(shè)置越大，則切削力就越大，刀具磨損就越劇烈，若切削深度越大則產(chǎn)生的切削應(yīng)力也就越大。這些方面都會影響零件的加工質(zhì)量，甚至?xí)?dǎo)致刀具損壞，如：崩刃、斷裂等現(xiàn)象，出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量事故。若零件在粗加工或是有較大余量加工時，切削參數(shù)值設(shè)置過小，則需要反復(fù)切削，導(dǎo)致零件加工效率低下。

滾壓加工和傳統(tǒng)切削加工較為類似。若滾壓量的參數(shù)值設(shè)置過大，超過被加工材料的最大抗拉強(qiáng)度，表面就會發(fā)生收縮出現(xiàn)折疊、撕裂等現(xiàn)象，從而降低表面質(zhì)量，并且滾壓頭上的滾柱也容易出現(xiàn)磨損或破損。在滾壓加工中，若滾壓量參數(shù)值設(shè)置較小，則產(chǎn)生的滾壓力就相對較小，被加工表面往往只會發(fā)生彈性變形，質(zhì)量影響較小。

根據(jù)上述分析可知，滾壓量與滾壓力成線性關(guān)系。根據(jù)42CrMo合金鋼材料特性及被加工孔的尺寸情況，最終設(shè)定內(nèi)孔單邊的滾壓量為0.01～0.05 mm。

(2)轉(zhuǎn)速及進(jìn)給

在零件加工中，轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度不僅影響刀具在切削過程中的受力大小、磨損及壽命，更影響加工質(zhì)量及效率。滾壓加工的轉(zhuǎn)速及進(jìn)給參數(shù)值的設(shè)置也非常重要。若參數(shù)值設(shè)置過大，滾壓裝置與機(jī)床之間可能會產(chǎn)生振動，影響被加工表面的加工質(zhì)量，局部會出現(xiàn)未加工表面，形成“螺旋鏡面”。若參數(shù)值設(shè)置過小，滾柱不僅會對被加工表面的同一位置進(jìn)行多次滾壓，反復(fù)強(qiáng)化及硬化，使被加工表面的物理性能發(fā)生變化，甚至損傷，同時還嚴(yán)重降低了加工效率。

通過上述分析，根據(jù)42CrMo合金鋼材料特性及被加工孔的尺寸，最終設(shè)定進(jìn)給速度(Vc)及轉(zhuǎn)速(n)的參數(shù)試驗范圍為：Vc=20～100 m/min，n=60～200 r/min。

(3)冷卻液

在零件切削過程中，冷卻液的主要作用是帶走加工過程中的切削熱，從而減小對刀具的損傷，以提高使用壽命，減少因刀具損壞而對零件的加工質(zhì)量和效率的影響，同時在深孔加工中，通過調(diào)整冷卻液的壓強(qiáng)還能夠起到排屑的作用，防止鐵屑損傷已加工表面。

滾壓加工屬于無屑加工，冷卻液的主要作用并不是冷卻和排屑，而是潤滑。在滾壓過程中，若冷卻液不充足，則滾壓裝置的滾柱表面與被加工表面之間的摩擦系數(shù)會隨著滾壓時間的不斷增加而加大，影響滾壓加工的效果，被加工表面會出現(xiàn)不同程度的損傷，甚至損壞滾壓裝置。若滾壓加工中合理使用冷卻液，冷卻液就會在加工表面的滾壓區(qū)進(jìn)行潤滑，有效減少滾壓裝置滾柱面的磨損，降低滾壓過程中的摩擦系數(shù)，減少已加工表面的加工應(yīng)力，提高加工效率及表面質(zhì)量。

通過上述分析，根據(jù)42CrMo合金鋼材料加工特點(diǎn)，選擇低粘度油性冷卻液做為轉(zhuǎn)鼓式飛剪缸孔滾壓加工的冷卻介質(zhì)，既能夠有效降低滾壓時的摩擦系數(shù)，又可以降低零件溫度。

(4)殘留面積計算

由于滾壓頭上的滾柱不是一個標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體，而帶有錐面及R圓弧，在對零件表面進(jìn)行滾壓加工時，往往不能把整個被加工表面滾壓平整，會出現(xiàn)殘留，若殘留面積最大高度(Rmax)尺寸越大，則被加工表面理論粗糙度就越大(如圖8所示)[2]。殘留面積與進(jìn)給量(f)值的關(guān)系如圖9所示。

圖8 滾壓加工殘留面積示意圖

圖9 殘留面積與進(jìn)給量(f)關(guān)系示意圖

當(dāng)f≤2rsinα?xí)r，殘留面積輪廓只由滾柱的倒圓弧組成。其中，殘留面積最大高度Rmax的計算方法如下：

3.4 實施

為確保試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及合理性，在?200 mm數(shù)控鏜床上進(jìn)行各項切削試驗，以獲取最佳工藝參數(shù)。

(1)內(nèi)孔預(yù)加工

內(nèi)孔預(yù)加工工藝方案是否合理是確保后序滾壓質(zhì)量的關(guān)鍵步驟。為便于滾壓裝置對刀及加工過程中受力均勻以達(dá)到最佳滾壓效果，底孔需加工成光孔，并根據(jù)滾壓裝置的加工原理、分析結(jié)果、孔徑大小及公差范圍，將底孔加工尺寸控制在設(shè)計尺寸公差的下限值，以確保滾壓后孔徑直徑能夠滿足設(shè)計要求，表面粗糙度值需≤Ra6.3 μm。

(2)滾壓加工

根據(jù)以上分析結(jié)果，采用“正交實驗法”設(shè)計了20組試驗參數(shù)(如表1所示)。在確定“切削三要素”其中兩個參數(shù)值的情況下，通過改變另一個參數(shù)值，進(jìn)行切削對比試驗，以獲得最佳數(shù)據(jù)。

表1 液壓試驗參數(shù)設(shè)計表

滾壓加工前，需精確測量滾壓頭上對應(yīng)滾柱之間的最大外圓尺寸，并調(diào)節(jié)至切削試驗所設(shè)計的參數(shù)尺寸，確保滾壓量滿足要求。同時，滾壓孔中心必須與預(yù)加工孔中心一致，否則會導(dǎo)致滾壓加工過程中，滾柱面受力不均勻影響滾壓質(zhì)量，甚至降低滾壓裝置的使用壽命，因此在滾壓加工前需對孔中心位置的數(shù)值進(jìn)行校正。在深度方向?qū)Φ稌r需采用“貼紙”對刀法，以確保實際加工深度尺寸與圖紙設(shè)計尺寸相符，并在滾壓過程中不斷加入大量的低粘度冷卻潤滑油來進(jìn)行潤滑和清潔。滾壓加工結(jié)束后，滾壓裝置必須在機(jī)床主軸停轉(zhuǎn)的狀態(tài)下快速退出，否則會影響已加工孔的表面質(zhì)量。

通過滾壓試驗，對所設(shè)計的各組切削參數(shù)進(jìn)行綜合評價，滾壓后缸孔直徑的變化量為≤0.01 mm，內(nèi)孔表面粗糙度值均滿足設(shè)計要求≤Ra0.8 μm，并獲得最佳切削參數(shù)為：Vc=35～50 m/min，n=80～120 r/min。同時得出，內(nèi)孔表面在第一滾壓中塑性變形最顯著，表面質(zhì)量提高最為明顯，隨后效果便不再明顯，并且隨著滾壓次數(shù)的增加，被加工表面會產(chǎn)生過大的壓應(yīng)力，反而會破壞第一次滾壓得到的表面質(zhì)量，因此在生產(chǎn)中通常只采用一次滾壓加工。

4 結(jié)論

通過研究轉(zhuǎn)鼓式飛剪壓緊缸缸孔的制造工藝技術(shù)，設(shè)計制造出了一種新型滾壓裝置，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)鼓式飛剪壓緊缸缸孔的高效精加工，并得出以下結(jié)論：

(1)對鏜削、珩磨、滾壓三種孔精加工方法進(jìn)行比較，得出對于表面粗糙度值≤Ra0.8 μm的中小型深孔的精加工，特別是批量孔加工，采用滾壓加工的方式效率最高。

(2)設(shè)計制造了新型滾壓裝置，其最佳切削參數(shù)為：Vc=35～50 m/min，n=80～120 r/min?？蓾M足公司850～2250 mm軋機(jī)轉(zhuǎn)鼓式飛剪壓緊缸缸孔的精加工要求。

(3)采用該工藝方案加工，預(yù)加工孔的表面粗糙度值需≤Ra6.3 μm，孔徑需加工至理論值的下差。

(4)新型滾壓裝置，安裝便捷，具有較強(qiáng)的剛性和穩(wěn)定性，加工后測量孔系尺寸一致，孔徑變化量≤0.01 mm，表面粗糙度值均≤Ra0.8 μm。

(5)該新型滾壓裝置及工藝方案，不僅適用于軋機(jī)轉(zhuǎn)鼓式飛剪壓緊缸缸孔的加工，對同類型孔的精加工也可拓展應(yīng)用。