高精度薄壁類圓弧槽軌道車削加工方法

張杰，周榮軍，張玉琦，劉亮，熊賀芹，廖東

湖北三江航天江北機(jī)械工程有限公司 湖北孝感 432000

1 序言

薄壁回轉(zhuǎn)體金屬零件具有質(zhì)量輕、節(jié)約材料、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。薄壁回轉(zhuǎn)體金屬零件在車削加工時(shí)，因零件剛性差、強(qiáng)度低，極易造成產(chǎn)品變形。加工過程由于刀具選用不合理、夾具裝夾錯(cuò)誤而使幾何誤差增大、發(fā)生變形，不易保證零件的加工質(zhì)量[2]。

2 產(chǎn)品工藝分析

2.1 零件結(jié)構(gòu)

反噴管回轉(zhuǎn)體金屬零件（見圖1），產(chǎn)品材料為30CrMnSiA，調(diào)質(zhì)硬度為42～46HRC。該產(chǎn)品最大直徑為153mm，外形為類錐形，內(nèi)腔為帶拔模圓柱結(jié)構(gòu)，中間位置為mm圓弧滾道，與φ147mm外圓形成4mm薄壁。在車削加工過程中既要求保證圓弧滾道的加工精度，又要求控制變形，保證加工后內(nèi)孔、外圓相對(duì)于中心的同軸度。

圖1 反噴管回轉(zhuǎn)體金屬零件

2.2 加工工藝難點(diǎn)

該零件的壁厚不足其孔徑的1/13，加工剛性差，關(guān)鍵尺寸為圓弧滾道，要求尺寸公差范圍小。材料為高硬鋼調(diào)質(zhì)，硬度高。薄壁工件本身剛性差，車削時(shí)裝夾困難，極易產(chǎn)生變形，而且影響的因素包括夾緊力、切削力、切削熱及彈性復(fù)原等因素，所以車削薄壁零件首先要解決夾緊和切削所引起的變形問題，其次要解決加工過程中刀桿、刀片及切削參數(shù)的合理選擇問題，最后要解決滾珠彈道槽的檢測(cè)問題[3]。加工過程中切削熱、工序間內(nèi)應(yīng)力的有效釋放，可以保證零件的加工質(zhì)量，滾珠彈道槽可采用間接測(cè)量的方法。

2.3 通用卡盤夾持變形分析

夾持回轉(zhuǎn)體零件進(jìn)行車削加工最常用的夾具是自定心卡盤，此卡盤夾持工件時(shí)一般不需要找正，裝夾速度較快，但是在夾持薄壁零件時(shí)普通三爪夾持受力面過小，屬于點(diǎn)接觸，夾持力不均勻，導(dǎo)致零件卸下后，內(nèi)外徑圓柱度無法滿足工藝要求。如圖2所示。

圖2 通用夾具裝夾

圖2a是三爪夾持粗加工之后精加工之前的零件，由于主要受力點(diǎn)位于卡爪與產(chǎn)品裝夾面接觸部分，造成產(chǎn)品發(fā)生裝夾變形。圖2b是三爪夾持零件加工完內(nèi)孔之后，由于裝夾變形，測(cè)量結(jié)果顯示內(nèi)孔圓度合格，但是壁厚不均勻。圖2c是加工完卸下后的零件，在自然狀態(tài)下夾緊力消失后零件外圓恢復(fù)了圓形，內(nèi)孔卻變成了棱形，加工產(chǎn)品不合格。

2.4 粗、精加工分開進(jìn)行

對(duì)零件實(shí)行粗、精加工分開進(jìn)行，粗加工盡可能多地去除余量，產(chǎn)生的切削力、切削熱較大，車削工件時(shí)溫升快，變形較大[2]。粗、精加工之間輔以一定的冷卻時(shí)間，以消除切削熱和加工后的內(nèi)應(yīng)力。

3 加工工藝方案

細(xì)化刀具、刀片選型，優(yōu)化切削參數(shù)，以減少切削應(yīng)力及切削熱。結(jié)合上述影響薄壁件的加工因素，在加工反噴管時(shí)，采取以下工藝步驟。反噴管結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3所示。

圖3 反噴管結(jié)構(gòu)及尺寸

3.1 加工工序

1）來料：φ160mm×φ125mm×72mm的圓環(huán)，材料為 30CrMnSiA 鍛造件。

2）粗車：采用通用自定心卡盤夾持零件左端外圓，車削右端外圓，成品尺寸為φmm，先加工至φ（157±0.2）mm；臺(tái)階外圓成品尺寸為，先加工至φ（144±0.2）mm；內(nèi)孔成品尺寸為φmm，先車削至φ（129±0.2）mm；滾道直徑成品尺寸為mm，先車削至φ（136±0.2）mm；深度成品尺寸為（20±0.05）mm，先車削至（22± 0.05）mm；保證臺(tái)階長(zhǎng)度尺寸、倒角0.5mm×45°。

采用通用自定心卡盤夾持零件右端外圓，車削左端，外圓成品尺寸為φmm，先車削至φ（1 5 1±0.2）mm；臺(tái)階外圓成品尺寸為φ，先車削至φ（144±0.2）mm；零件總長(zhǎng)度（65±0.065）mm，先車削至（69±0.2）mm；臺(tái)階長(zhǎng)度（9±0.08）mm，先車削至（13±0.1）mm；斜角長(zhǎng)度成品尺寸（2 0±0.0 8），先車削至（22±0.2）mm；車削內(nèi)孔角度15°±10′、倒角0.5mm×45°。

3）調(diào)質(zhì)熱處理：調(diào)質(zhì)硬度 42～46HRC。

4）半精車：熱處理后的零件進(jìn)行半精加工，采用扇形軟爪夾持零件左端外圓，加工右端，單邊留0.5mm精加工余量，車削外圓至φ；臺(tái)階外圓至φmm；內(nèi)孔至φmm；滾道至；零件深度至（20.5±0.05）mm；保證臺(tái)階長(zhǎng)度尺寸、倒角0.5mm×45°。

使用內(nèi)撐卡爪撐住右端內(nèi)孔，加工左端，單邊留0.5mm精加工余量，車削外圓至φmm；臺(tái)階外圓至φmm；零件總長(zhǎng)至（66±0.065）mm；臺(tái)階長(zhǎng)度至（1 0±0.0 8）mm；斜角長(zhǎng)度至（20.5±0.08）mm；內(nèi)孔角度15°±10′；倒角0.5mm×45°。將零件取下，放置一段時(shí)間，使其應(yīng)力完全釋放。

5 ）精車：將扇形軟爪內(nèi)孔加工至φmm，夾持零件左端φmm外圓，夾緊力不宜過大，使用扭力扳手控制在（10±1）N·m，每刀切削深度控制在0.15～0.2mm。車削右端外圓及內(nèi)孔，保證設(shè)計(jì)圖樣兩處外圓尺寸φmm、φmm；內(nèi)孔尺寸φmm；內(nèi)孔角度15°±8′；滾珠彈道直徑φmm；滾道圓弧mm；車削滾道寬度（20±0.05）mm；保證臺(tái)階尺寸mm；倒角0.5mm×45°。

利用扇形軟爪撐住零件右端φmm內(nèi)孔，車削加工左端外圓及內(nèi)孔，保證外圓尺寸φmm，臺(tái)階外圓φmm，長(zhǎng)度尺寸（65±0.065）mm，臺(tái)階長(zhǎng)度（9±0.08）mm，內(nèi)孔角度15°±10′，斜角長(zhǎng)度（20±0.08）mm，倒角0.5mm×45°。

3.2 工件夾具的改進(jìn)

制作包容式軟爪以減少零件夾緊變形，該軟爪底部的端齒在卡盤上定位，保持較高的重復(fù)安裝精度，卡盤上焊接扇形軟爪，鏜削至略大于零件外徑的內(nèi)孔，一般比零件外徑大0.02～0.04mm，最大限度地增加夾持面積，使夾緊力均勻地分布在零件上，這樣可以有效減少零件的變形，同時(shí)保證卡爪與工件緊密結(jié)合，保證夾持的穩(wěn)定性。如圖4所示。

圖4 加工內(nèi)孔用夾具示意

將半精車削后的反噴管放入加工好的軟爪中，加工出右端臺(tái)階及內(nèi)孔。然后制作一副圓形撐具（見圖5），以圖3右側(cè)尺寸φmm內(nèi)孔作為裝夾面，加工出左端內(nèi)外錐面。

圖5 圓形撐具示意

3.3 選擇合適的刀具

切削過程中，刀具材料性能的好壞對(duì)于切削效率、加工表面質(zhì)量等都有很大關(guān)系，因此選擇合理的刀具能保證產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。表1是筆者在加工過程中摸索出來的加工刀具，相比之前選用的刀具，能更好地減少切削力的產(chǎn)生，有效控制零件的變形。

表1 加工刀具及牌號(hào)

3.4 選擇合理的切削參數(shù)

根據(jù)零件材料、尺寸要求及表面粗糙度要求，確定切削參數(shù)，見表2。

表2 切削參數(shù)

4 檢驗(yàn)及測(cè)量

4.1 滾道直徑的測(cè)量方法

設(shè)計(jì)滾道直徑為φ139+0.040mm，普通的游標(biāo)卡尺由于結(jié)構(gòu)限制無法直接測(cè)量，需要制作專用檢具，采用比較法進(jìn)行測(cè)量。具體方法為：將最小測(cè)量精度為0.01mm、量程為10mm的百分表尾端螺母卸掉，自制一根直徑8mm、長(zhǎng)度25mm的延長(zhǎng)桿，依靠一枚M2.5內(nèi)六角圓柱頭螺釘側(cè)向固定，將其聯(lián)接在百分表上，延長(zhǎng)桿另一端加工成半徑為4mm的圓弧，使螺桿與百分表聯(lián)接后長(zhǎng)度＞140mm，將量程為125～150mm的外徑千分尺調(diào)整至139mm，對(duì)百分表量具進(jìn)行校準(zhǔn)。利用百分表測(cè)量滾道直徑時(shí)，表盤面向操作人員，測(cè)量出圓弧弧頂最大值。利用百分表測(cè)量的最大值與校準(zhǔn)值之差即為加工余量。該自制滾道直徑測(cè)量量具（見圖6）能準(zhǔn)確測(cè)量出實(shí)際加工滾道直徑值，從而為設(shè)計(jì)工藝文件提供數(shù)據(jù)。

圖6 自制滾道直徑測(cè)量量具

4.2 滾道圓弧半徑的測(cè)量方法

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過分析薄壁回轉(zhuǎn)體金屬零件的工藝特點(diǎn)和影響加工質(zhì)量的關(guān)鍵要素，闡述了車削加工通用夾具的缺陷，采用優(yōu)化后的裝夾方案、刀具及車削參數(shù)，提供了一套薄壁金屬回轉(zhuǎn)體零件的車削方案。實(shí)踐表明該工藝方案適合此類薄壁零件的加工，這套方案使零件的加工合格率由原來55%提升至99.7%。