鈦合金異形曲軸零件的A軸回轉(zhuǎn)加工定位技術(shù)

金鑫，陳峻

航宇救生裝備有限公司 湖北襄陽 441003

1 序言

程序軸是某型彈射救生座椅起動(dòng)機(jī)構(gòu)的重要件，由于數(shù)控加工難度大，因此進(jìn)一步完善工藝方法對(duì)技術(shù)性能達(dá)標(biāo)起重要作用。

2 程序軸工藝特點(diǎn)

程序軸的主要功能是依產(chǎn)品秩序起動(dòng)各個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，產(chǎn)生應(yīng)有的救生防護(hù)功能，其工藝特點(diǎn)如下。

1）程序軸的材料為TC11模鍛件，熱處理后屈服強(qiáng)度（1150±100）MPa，其高黏度和高韌性的特性不適合高速切削。

2）程序軸為具有不規(guī)則回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的異形曲軸，表面余量較大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不高，不適合大深度切削。

3）工藝路線較長，共80道工序、89個(gè)設(shè)計(jì)尺寸，主要功能尺寸由數(shù)控車削、數(shù)控銑削保證。

4）3道數(shù)控銑削工序，加工內(nèi)容為起動(dòng)控制功能的空間高精度尺寸，共52個(gè)尺寸，如，以及同軸度φ0.2mm、對(duì)稱度0.04mm等。

5）數(shù)控銑削工序分3個(gè)工步裝夾加工完成。A軸工序裝夾如圖1所示。

圖1 A軸工序裝夾

6）數(shù)控銑削生產(chǎn)操作過程繁瑣，加工中工件容易受力旋轉(zhuǎn)，較難滿足技術(shù)要求。

3 數(shù)控銑削加工難度分析

零件結(jié)構(gòu)如圖2所示。經(jīng)分析，數(shù)控銑削的加工難度如下。

圖2 零件結(jié)構(gòu)

1）數(shù)控銑削內(nèi)容分為30、40、45工序，零件的工藝精度要求高，曲軸結(jié)構(gòu)的工藝強(qiáng)度不高，零件的裝夾定位難度較大。

2）鈦合金材料的切削性能較差，模鍛件材質(zhì)的黏度、韌性更高[1]，要求切削力與夾持力具有較好的技術(shù)匹配性。

3）由于零件設(shè)計(jì)要求高，定位點(diǎn)選擇與工藝過程精度必須具備完全相關(guān)性，因此完成難度大。

4 加工過程

零件加工過程如下。

（1）30工序 定位方法為以卡盤夾持，專用夾套全包圍零件外圓。結(jié)構(gòu)內(nèi)容為加工2個(gè)方、62°±30′等形面。因刀具磨損較快，切削抗力大，必須每件找正中心，調(diào)整孔和方加工刀具的參數(shù)。30數(shù)控銑削工序如圖3所示。

圖3 30數(shù)控銑削工序

（2）40工序 定位方式以A軸卡盤夾持，開口套夾φ40mm外圓，加工槽。每件找正2個(gè)孔至A軸角度，以達(dá)到水平/垂直的空間關(guān)系，同時(shí)找正外圓作為對(duì)稱度基準(zhǔn)。

40數(shù)控銑削工序如圖4所示。

圖4 40數(shù)控銑削工序

（3）45工序 45數(shù)控銑削工序如圖5所示。定位方式以A軸卡盤夾持，開口套轉(zhuǎn)基準(zhǔn)于外圓。加工兩段外圓形面——波浪面和凸輪槽，保證各形面角度、尺寸精度；確定工藝基準(zhǔn)的空間關(guān)系，每件找正2個(gè)孔。

曲軸結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不高，必須人工操控尾座頂持力。施加A軸卡盤大夾持力，零件加工中仍受力旋轉(zhuǎn)，造成波浪面和凸輪槽發(fā)生錯(cuò)位過切現(xiàn)象。在A軸工作臺(tái)上必須用數(shù)字高度尺反復(fù)測量每一件零件的定位水平角度，切削過程中隨時(shí)觀察切削狀態(tài)，處理異常情況。

加工秩序?yàn)閺淖笾劣乙来未旨庸—D、E—E和F—F各形面→從左至右依次精加工D—D、E—E和F—F各形面（見圖5a）。加工過程中切削E—E、F—F各形面時(shí)，零件有振顫現(xiàn)象，表面質(zhì)量和工藝精度不理想。

5 刀具的選用

根據(jù)程序軸鈦合金模鍛材料的物理特性中“黏度高”的首要特點(diǎn)，運(yùn)用高鈷鋼材料鋒利度好、韌性高的性能，選擇該材質(zhì)刀具加工，初期2件表面粗糙度、尺寸精度總體效果尚可，但切削效率不高，加工5件后刃部磨損較快，表面質(zhì)量、尺寸精度持續(xù)下降，不能可靠高效地滿足工藝技術(shù)和計(jì)劃節(jié)點(diǎn)要求。

于是選擇采用WCo類合金材質(zhì)、螺旋角38°及Al2O3/HfN物理涂層的刀具[2]，切削狀態(tài)大為改觀，零件表面粗糙度、尺寸精度持續(xù)穩(wěn)定在25件以上，切削效率提升50%以上，刀具耐磨性提升。

數(shù)控銑削工序工藝流程優(yōu)化調(diào)整的可能性分析如下。

3）鑒于卡盤裝置三點(diǎn)作用、接觸面小且力量受限，夾套受力后變形嚴(yán)重，考慮設(shè)計(jì)一種新型夾具，統(tǒng)一定位夾持基準(zhǔn)，增強(qiáng)夾持力度，增大夾持面積，質(zhì)量、效率是可以提升的。

6 夾具創(chuàng)新

1）選定定位基準(zhǔn)。依據(jù)“基準(zhǔn)統(tǒng)一，精度一致，直接相關(guān)，就近夾持”的原則[3]，兼顧工藝路線的要求，確定外圓和2個(gè)孔為加工定位基準(zhǔn)（見圖5b）。

圖5 45數(shù)控銑削工序

2）確認(rèn)夾持方式。避免卡盤三點(diǎn)受力“面積小，夾套受力不均”的弊病，考慮采用卡簧（見圖6）全包圍結(jié)構(gòu)，即增大真實(shí)接觸面積，夾持力度提高了5倍以上。

圖6 卡簧

3）新夾具方案必須解決的難題：①大批量生產(chǎn)中每件人工找正帶來的誤差。②零件回轉(zhuǎn)定位的位置關(guān)系不穩(wěn)定。③夾持力臂與切削力臂之比為1∶5.7，呈反比狀態(tài)，夾持力的定位作用不夠。

4）夾具方案必須滿足的條件：①確定夾持組件間的相對(duì)位置關(guān)系。②穩(wěn)定零件與夾具的力臂關(guān)系。③穩(wěn)定提升夾持力作用。④減少人工操作，滿足批量生產(chǎn)需要。

5）新夾具構(gòu)思如圖7所示。具體的解決方案為：①回轉(zhuǎn)中心基準(zhǔn)外圓，設(shè)計(jì)強(qiáng)力彈性卡簧（規(guī)格為φ7mm），夾持力均勻地完全包圍外圓，提升夾持作用效果。②強(qiáng)力卡簧的定向槽與內(nèi)錐孔側(cè)壁的定向銷高精度配合，卡簧與夾具主體位置關(guān)系確定。③卡簧前端面安裝菱形定位銷，確定與2個(gè)孔的定位關(guān)系，具有加工過程中提升定位轉(zhuǎn)矩，抵抗切削力的作用。

圖7 新夾具構(gòu)思

7 工藝創(chuàng)新

針對(duì)曲軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低的特點(diǎn)，工藝秩序采取如下措施：①從右至左依次加工F—F、E—E、D—D各形面（見圖5a）。②F—F形面粗、精加工均完成后，加工E—E形面；同理，E—E形面粗、精加工均完成后，再加工D—D形面。③40工序并入45工序完成。

先完成F—F、E—E形面加工，最后完成D—D形面，有利于保持D—D曲軸部位強(qiáng)度，有效承載切削力，穩(wěn)定工藝系統(tǒng)剛性，避免零件切削振顫。40工序內(nèi)容在45工序完成，降低操作難度，提升生產(chǎn)效率。

8 方案實(shí)施

1）依據(jù)方案論證，設(shè)計(jì)新型夾具如圖8所示，其中的定向卡簧主體如圖9所示，卡簧定向槽與零件定位銷如圖10所示。

圖8 新型夾具

圖9 定向卡簧主體

圖10 卡簧定向槽與零件定位銷

2）按照夾具設(shè)計(jì)方案，制作了裝夾工裝，經(jīng)在機(jī)檢測精度，符合設(shè)計(jì)功能和使用要求。新型夾具的安裝如圖11所示。

圖11 新型夾具的安裝

3）選擇剛性較好的設(shè)備，采用卡簧定向夾具緊固可靠后進(jìn)行零件加工，夾持跳動(dòng)≤0.02mm，觀察零件與夾具的組合體在切削中的狀態(tài)，確認(rèn)緊實(shí)穩(wěn)定，經(jīng)計(jì)量檢測合格后，批量生產(chǎn)效果較好。批量生產(chǎn)的零件實(shí)物如圖12所示。

圖12 批量生產(chǎn)的零件實(shí)物

9 結(jié)束語

本文針對(duì)鈦合金異形曲軸零件數(shù)控銑削中存在的夾持不穩(wěn)、尺寸偏離及裝夾繁瑣等問題，進(jìn)行原因分析和工藝改進(jìn)。依據(jù)“基準(zhǔn)統(tǒng)一，精度一致，直接相關(guān)，就近夾持”的原則，采用彈性強(qiáng)力卡簧和高精度定位銷、定向槽，確定了夾持組件的位置關(guān)系，增大夾具接觸面積，提升夾持力度。在“夾持力臂/切削力臂為1∶5.7”的情況下，解決了“曲軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不高，鈦合金模鍛材料的切削性能差、黏度高，切削力與夾持力的匹配性，以及定位點(diǎn)與工藝精度的相關(guān)性”等技術(shù)難題，取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

專家點(diǎn)評(píng)

該文中的鈦合金異形曲軸，零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，材料切削性能差。作者在工藝改進(jìn)的基礎(chǔ)上，通過夾具設(shè)計(jì)和工藝過程創(chuàng)新，解決了數(shù)控銑削加工中存在的夾持不穩(wěn)、尺寸偏離及裝夾找正困難等問題。

文章內(nèi)容豐富，創(chuàng)新性地采用A軸回轉(zhuǎn)加工定位技術(shù)和強(qiáng)力彈性卡簧全包圍夾持方法，解決了曲軸零件加工中的技術(shù)難題，顯示出作者較強(qiáng)的技術(shù)攻關(guān)和工藝創(chuàng)新思維能力。