考慮加工變形的軸承環(huán)加工工藝優(yōu)化研究

顧濤

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

0 引言

近幾年來航拍技術(shù)發(fā)展迅猛，應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在勘探、偵察、搜尋等領(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的作用。拍攝距離遠(yuǎn)是航拍的一大特點(diǎn)，也是和普通拍攝的一大區(qū)別。由于拍攝距離遠(yuǎn)，所以航拍時(shí)要求對焦精準(zhǔn)。航拍相機(jī)變焦筒軸承環(huán)（以下簡稱軸承環(huán)）是航拍相機(jī)中的重要零件，軸承環(huán)的精度直接影響對焦精度，尺寸精度要求十分高，尤其是直徑方向的精度，一般允許誤差小于0.015 mm，同時(shí)軸承環(huán)是一個(gè)薄壁的回轉(zhuǎn)體零件，在加工過程中容易產(chǎn)生變形（特別是直徑方向的變形），加工難度大。某軸承環(huán)制造企業(yè)在加工軸承環(huán)的過程中一直存在良品率不高的問題，急需對該軸承環(huán)加工工藝進(jìn)行分析優(yōu)化。

1 軸承環(huán)原有加工工藝分析

1.1 軸承環(huán)加工要求

軸承環(huán)的主要工藝尺寸如圖1所示，軸承環(huán)材料為GCr15，硬度要求為50～55 HRC。軸承環(huán)整體上呈一薄壁回轉(zhuǎn)體環(huán)狀零件，最大直徑為60.4 mm，長度為11 mm，壁厚最小處為1.2 mm，是典型的薄壁零件。該軸承環(huán)尺寸精度要求十分高，兩端直徑55 mm內(nèi)孔精度高達(dá)0.015 mm，直徑為57.4 mm的外圓精度高達(dá)0.025 mm，同時(shí)內(nèi)孔相對外圓的同軸度和圓跳動(dòng)高達(dá)0.01 mm。直徑55 mm內(nèi)孔、40°錐面、直徑57.4 mm外圓及左端面的粗糙度要求為Ra0.4 μm，其余加工面粗糙度要求為Ra0.8 μm，表面質(zhì)量要求也十分高。從加工工藝角度看，該軸承環(huán)加工精度要求高、表面質(zhì)量要求高、壁厚薄并且裝夾困難，容易產(chǎn)生加工變形，屬于典型的難加工零件。

圖1 軸承環(huán)的主要工藝尺寸

1.2 軸承環(huán)原有工藝及不良品分析

某企業(yè)在加工軸承環(huán)時(shí)，按照粗車→熱處理→精車進(jìn)行工序劃分，加工工序劃分如表1所示。

表1 原有工序劃分

隨機(jī)抽取100個(gè)加工完成的軸承環(huán)進(jìn)行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)完全符合圖樣精度要求的只有46個(gè)，不良品率高達(dá)54%。進(jìn)一步對不合格的54個(gè)軸承環(huán)進(jìn)行細(xì)化檢測分析，可知不合格的主要原因有3項(xiàng)，分別是粗糙度不合格、內(nèi)孔直徑尺寸不合格、內(nèi)孔與外圓的同軸度及跳動(dòng)度不合格，具體分析結(jié)果如圖2所示。從分析結(jié)果看，由尺寸不合格造成的不良占比最低，只有6%，其原因是現(xiàn)代數(shù)控車床的定位精度一般可以達(dá)到0.004 mm，甚至達(dá)到0.002 mm，采用數(shù)控車床加工精度要求為0.015 mm的內(nèi)孔，尺寸精度相對容易保證。由粗糙度不合格造成的不良占比34%，加工過程中零件表面的粗糙度受到切削參數(shù)、刀具性能、零件剛度等多種因素影響，其數(shù)值是一種非線性的變化。由內(nèi)孔與外圓的同軸度及圓跳動(dòng)不合格造成的不良占比60%，占比最大，其主要原因是加工過程特別是精加工時(shí)零件產(chǎn)生變形引起的。根據(jù)以上分析，如何提高表面質(zhì)量和減少工件變形是降低不良品率的關(guān)鍵。

圖2 不良品分析

軸承環(huán)的最終尺寸是由精車工序得到的，粗加工工序?qū)S承環(huán)最終尺寸無影響，在研究過程中只需要考慮精加工工序即可。導(dǎo)致軸承環(huán)內(nèi)孔與外圓的同軸度及跳動(dòng)度不合格的主要原因是軸承環(huán)在精車過程中產(chǎn)生了變形，變形來自3個(gè)方面：內(nèi)應(yīng)力釋放產(chǎn)生的變形，切削力作用產(chǎn)生的變形，夾緊力作用產(chǎn)生的變形。粗加工時(shí)已經(jīng)將大部分的材料切除掉，再加上熱處理，工件內(nèi)應(yīng)力已經(jīng)基本釋放完，由內(nèi)應(yīng)力釋放引起的變形可以忽略不計(jì)。

1.3 軸承環(huán)原有工藝切削力分析

車削加工時(shí)，切削力會(huì)受到材料硬度、刀具角度、切削深度、進(jìn)給速度、切削速度等因素的影響。軸承環(huán)原有加工工藝中精加工切削參數(shù)為：背吃刀量ap=0.5 mm，切削速度vc=320 m/min，進(jìn)給量f=0.1 mm/r。在計(jì)算切削力時(shí)把總切削力分解成空間3個(gè)互相垂直的力，分別為主切削力Fc、走刀抗力Ff、吃刀抗力Fp，則總切削力的計(jì)算公式為

在實(shí)際加工中，一般使用經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算切削力，切削力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

式中：CFc、CFf、CFp是與被切削材料、刀具材料、切削條件相關(guān)的切削力指數(shù)；xFc、yFc、nFc、xFf、yFf、nFf、xFp、yFp、nFp是與背吃刀量ap、進(jìn)給量f、切削速度vc相關(guān)的指數(shù)；KFc、KFf、KFp是其他因素對切削力影響的修正系數(shù)。

軸承環(huán)內(nèi)孔精車和外圓精車的切削用量一樣，切削條件基本一致，所以可認(rèn)為內(nèi)孔精車和外圓精車的切削力相等。通過查閱《金屬切削手冊》得到以上計(jì)算公式中的各項(xiàng)指數(shù)及修正系數(shù)，經(jīng)計(jì)算得到：Fc=183 N、Ff=127 N、Fp=112 N?？偳邢髁?/p>

1.4 軸承環(huán)原有工藝中裝夾方式及夾緊力分析

軸承環(huán)精加工分2道工序完成，分別是精車內(nèi)孔和精車外圓。精車內(nèi)孔時(shí)采用彈性套裝夾方式，以粗加工完成的外圓及臺階作為定位基準(zhǔn)，裝夾方式如圖3所示，夾緊力為500 N。精車外圓時(shí)采用定位芯軸裝夾方式，以加工完成的內(nèi)孔和端面為基準(zhǔn)，裝夾方式如圖4所示，夾緊力為500 N。

圖3 車內(nèi)孔裝夾

圖4 車外圓裝夾

1.5 軸承環(huán)原有工藝中加工變形分析

軸承環(huán)在車削過程中受到切削力、夾緊力及軸承環(huán)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力影響產(chǎn)生變形。使用UG NX12.0對軸承環(huán)內(nèi)孔精車及外圓精車過程進(jìn)行有限元分析，查看軸承環(huán)在精車時(shí)的變形量。精車內(nèi)孔時(shí)，切削速度vc=320 m/min，根據(jù)vc=πDn/1000，計(jì)算得到n=1850 r/min。進(jìn)入U(xiǎn)G NX12.0有限元模塊，對軸承環(huán)模型進(jìn)行簡化處理，去除所有圓角和斜角，設(shè)置部件材料為GCr15，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)內(nèi)孔精車裝夾方式和切削條件設(shè)置邊界條件和載荷，設(shè)置軸承環(huán)臺階為固定約束，并對軸承環(huán)外圓施加500 N的夾緊力，將計(jì)算得到的3個(gè)切削分力分別施加在切削區(qū)域的3個(gè)方向，對整個(gè)模型施加一個(gè)轉(zhuǎn)速為1850 r/min的旋轉(zhuǎn)載荷，邊界條件和載荷如圖5所示，解算結(jié)果如圖6所示，從圖6可知，內(nèi)孔精車時(shí)，軸承環(huán)的最大變形量約為0.003 3 mm。

圖5 精車內(nèi)孔邊界條件及載荷

精車外圓時(shí)，切削速度vc為320 m/min，根據(jù)vc=πDn/1000，計(jì)算得到n=1700 r/min，根據(jù)外圓精車裝夾方式和切削條件設(shè)置邊界條件和載荷，設(shè)置軸承環(huán)左端面為固定約束，并對軸承環(huán)右端面施加500 N的夾緊力，將計(jì)算得到的3個(gè)切削分力分別施加在切削區(qū)域的3個(gè)方向，對整個(gè)模型施加一個(gè)轉(zhuǎn)速為1700 r/min的旋轉(zhuǎn)載荷，邊界條件和載荷如圖7所示，解算結(jié)果如圖8所示，從圖8可知，精車外圓時(shí)，軸承環(huán)的最大變形量約為0.004 2 mm。

圖7 優(yōu)化后的精車夾具

圖7 精車外圓邊界條件及載荷

圖8 優(yōu)化后外圓精車有限元分析結(jié)果

圖8 精車外圓變形量

根據(jù)分析結(jié)果顯示，精車內(nèi)孔時(shí)軸承環(huán)最大變形量為0.003 3 mm，精車外圓時(shí)軸承環(huán)最大變形量為0.004 2 mm，變形量總和為0.007 5 mm，再加上數(shù)控機(jī)床本身存在0.003 mm左右的誤差，變形及誤差總量已經(jīng)超過軸承環(huán)0.01 mm的加工精度，因此軸承環(huán)原有加工工藝不符合產(chǎn)品加工要求。

2 軸承環(huán)精車切削參數(shù)優(yōu)化

2.1 軸承環(huán)精車切削正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)對軸承環(huán)不良品分析，造成軸承環(huán)不良的第二大原因是產(chǎn)品表面粗糙度不合格。在加工材料、機(jī)床、刀具確定的情況下，影響產(chǎn)品表面粗糙度的主要因素是切削用量三要素。為滿足產(chǎn)品表面粗糙度要求，針對切削用量三要素：切削速度vc（m/min）、進(jìn)給量f（mm/r）、背吃刀量ap（mm）展開實(shí)驗(yàn)，采用等水平正交表做三因素三水平實(shí)驗(yàn)，根據(jù)切削加工參數(shù)手冊以及工廠實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)選取切削用量，如表2所示。切削實(shí)驗(yàn)機(jī)床和刀具選用和實(shí)際加工完全一樣的型號，機(jī)床為FTC-10型斜床身數(shù)控車床，刀具為山特維克精車刀，檢測儀器為三豐SJ-210粗糙度儀。按照表2中所列出的切削參數(shù)，選用L9(33)正交表設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，每組切削參數(shù)均進(jìn)行3次切削實(shí)驗(yàn)并檢測粗糙度，取平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。采用極差法對正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，對粗糙度影響的主次順序?yàn)楸吵缘读縜p、進(jìn)給量f、切削速度vc，較好三因素水平組為：背吃刀量ap=0.3 mm，進(jìn)給量f=0.06 mm/r，切削速度vc=320 m/min。

表2 正交實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)表

表3 正交實(shí)驗(yàn)粗糙度結(jié)果分析

2.2 軸承環(huán)精車切削力計(jì)算

根據(jù)正交切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化后的軸承環(huán)精車切削參數(shù)為：背吃刀量ap=0.3 mm，進(jìn)給量f=0.06 mm/r，切削速度vc=320 m/min。重新計(jì)算切削力得到：Fc=136 N、Ff=96 N、Fp=85 N。總切削力為。和原有切削參數(shù)相比，切削力有所下降。

3 軸承環(huán)精車裝夾方案優(yōu)化

3.1 軸承環(huán)精車夾具設(shè)計(jì)

根據(jù)對原有加工工藝分析，軸承環(huán)精車時(shí)，切削力和夾緊力造成的零件變形高達(dá)0.007 5 mm，而且精車內(nèi)孔和精車外圓是分兩次裝夾完成，會(huì)產(chǎn)生二次裝夾誤差并受機(jī)床精度影響。在原有裝夾方案中，夾緊力施加在外圓或者右端面上，而這兩個(gè)位置都是零件剛性較差而且精度要求較高的位置，所以造成較大變形導(dǎo)致產(chǎn)品不合格。對軸承環(huán)精車夾具進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，新設(shè)計(jì)的精車夾具要滿足兩個(gè)要求，一是要求在一次裝夾情況下完成內(nèi)孔精車和外圓精車；二是要求夾緊力施加在軸承環(huán)剛性好、精度要求相對低的位置。

根據(jù)軸承環(huán)精加工要求，選用軸承環(huán)左側(cè)端面作為軸向定位基準(zhǔn)，選擇軸承環(huán)左側(cè)外圓倒角圓錐面作為徑向定位基準(zhǔn)，夾緊力施加在左側(cè)端面上，采用圓形吸盤作為夾具體并提供電磁吸力，夾緊工件，夾緊力等于總切削力的2倍左右，為400 N，設(shè)計(jì)后軸承環(huán)精車夾具如圖7所示。夾具上的定位面，在夾具安裝到數(shù)控車床上以后再加工得到，并且不再拆卸，直接安裝軸承環(huán)加工，以此來提高夾具定位面與機(jī)床的相對位置精度，夾具從機(jī)床上拆卸后，再次使用時(shí)，需要把夾具安裝到機(jī)床上后重新加工定位面。根據(jù)重新設(shè)計(jì)的精車夾具可知，在精車前需要先把兩個(gè)定位面，也就是左端面及倒角面加工完成，更改軸承環(huán)加工工序如表4所示。

表4 優(yōu)化后的工序劃分

3.2 優(yōu)化工藝后的加工變形有限元分析

經(jīng)過工藝優(yōu)化后，精車外圓時(shí)，切削速度vc為320 m/min，根據(jù)vc=πDn/1000，計(jì)算得到n=1790 r/min。在有限元分析時(shí)，設(shè)置邊界條件為夾具體定位面固定，夾具定位面與軸承環(huán)左端面接觸。在軸承環(huán)左端面施加400 N拉力，對軸承環(huán)外圓分別施加3個(gè)方向的切削力，對軸承環(huán)施加旋轉(zhuǎn)載荷，轉(zhuǎn)速為1790 r/min。求解得到優(yōu)化工藝后外圓精車時(shí)的變形結(jié)果如圖8所示。使用同樣的方法，求解得到優(yōu)化工藝后內(nèi)孔圓精車時(shí)的變形結(jié)果如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后內(nèi)孔精車有限元分析結(jié)果

由于改變了切削參數(shù)及裝夾方式，軸承環(huán)在精車時(shí)所產(chǎn)生的變形有了明顯的下降。根據(jù)有限元分析結(jié)果，從圖8可知外圓精車時(shí)的最大變形量約為0.001 3 mm，從圖9可知內(nèi)孔精車時(shí)的最大變形量約為0.001 1 mm，合計(jì)最大變形量約為0.002 4 mm。同時(shí)，由于外圓精車和內(nèi)孔精車是在一次裝夾中完成，裝夾定位誤差和機(jī)床本身誤差對零件加工精度影響很小，可以忽略不計(jì)，所以優(yōu)化工藝后軸承環(huán)的加工誤差基本等于零件變形量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸承環(huán)0.01 mm的精度要求。

4 結(jié)語

1）針對軸承環(huán)加工過程中良品率不高的現(xiàn)狀，通過對不合格品的分析，找出了產(chǎn)品不合格的兩大原因分別是表面粗糙度不合格、外圓與內(nèi)孔的同軸度及圓跳動(dòng)不合格。

2）通過對原有工藝中精車工序切削力及裝夾方式分析，得到了軸承環(huán)在精車工序中由切削力和裝夾方式引起的總變形量達(dá)到0.007 5 mm，已經(jīng)接近產(chǎn)品0.01 mm的精度要求，導(dǎo)致外圓與內(nèi)孔的同軸度及圓跳動(dòng)不合格。

3）通過正交實(shí)驗(yàn)，找出精車時(shí)的最佳切削參數(shù)，分別是背吃刀量ap=0.3 mm，進(jìn)給量f=0.06 mm/r，切削速度vc=320 m/min，軸承環(huán)表面粗糙度大幅改善，并且切削力從243.9 N下降到198.3 N。

4）重新設(shè)計(jì)了以圓形磁力工作臺為夾具體的精車夾具，實(shí)現(xiàn)了在一次裝夾中完成軸承環(huán)外圓精車和內(nèi)孔精車工序，并且夾緊力施加在軸承環(huán)的左端面，經(jīng)過有限元分析，切削總變形量由原來的0.007 5 mm降低到0.002 4 mm。