環(huán)形薄型零件加工工藝-精選資料

1、環(huán)形薄型零件加工工藝Machining craft of annular thin-wall partJI Minghao, SUN Dazhang( Logistics Engineering College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135 )： In order to improve the finish machining quality of the annular thin-wall part, according to the rigidity of machine tool system, jig stress, relatio

2、n between error-reflected and part to be manufactured, a set of machining craft plan is proposed. The point at right position should be set up on the axial of the annular thin-wall part to avoid part distortions in radial direction. With the help of a specially-made technology equipment, the part ra

3、tio between diameter and thickness over 40 can be realized as well as the concentricity and the surface roughness, because there is no radial external force. By checking a batch of parts being manufactured in this particular way, the yield of qualification is found to reach 95%.0 引 言當(dāng)前， 機械產(chǎn)品的體積趨于小型化

4、，零件也相應(yīng)朝著“小”、“薄”、“輕”方向發(fā)展 . 因此，加工過程中遇到的環(huán)形薄型零件等越來越多. 由于這類零件自身剛性不足、柔性有余，采用常規(guī)裝夾不僅無法滿足加工精度，而且因夾緊力導(dǎo)致零件彈性變形產(chǎn)生形狀誤差，成為加工中的難點之一.根據(jù)現(xiàn)有資料及專業(yè)文獻，對薄型零件的加工研究較少，對環(huán)形薄型零件的研究更少. 環(huán)形薄壁套是薄型零件中的典型零件之一 . 筆者對其加工工藝進行研究，并運用這一工藝指導(dǎo)產(chǎn)品制造.環(huán)形薄壁套特性根據(jù)加工經(jīng)驗，環(huán)形外徑與壁厚之比大于25 的可稱之為環(huán)形薄型零件.任何方式的切削加工總會有加工誤差. 從加工系統(tǒng)角度看，主要取決于零件和刀具在切削成形過程中相互位置的正確程度 .

5、1 從加工工藝角度看，工件的受力點、剛性和工裝夾具的定位方式也是影響加工質(zhì)量的關(guān)鍵. 特別是在加工小型工件或工件厚度較薄時，對車床的切削力大小、進刀量、走刀量、工件被裝夾方式和機床轉(zhuǎn)速等因素均十分敏感. 一旦其中某個環(huán)節(jié)被忽略， 極易導(dǎo)致工件尚未加工到要求尺寸就已經(jīng)發(fā)生變形、提前報廢.鑒于工件壁薄的特殊情況，若直接采用在三爪卡盤上定位加工的常規(guī)方式，已不能保證尺寸要求. 同時，薄壁工件的表面粗糙度及形位公差也要比一般零件要求高，同軸度通常要求在0.05以內(nèi)，而普通型環(huán)形件（非薄型）的同軸度一般在 0.150.25.剛 度剛度通常指被加工件抵抗合成外力的強度. 在車削加工中，車床夾具車床刀具構(gòu)成

6、的工藝系統(tǒng)是彈性系統(tǒng) . 這是因為機床在運轉(zhuǎn)時有運動偏差，并帶動安裝其上的工裝在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生偏差， 以及刀具 （架） 在加工中平移走刀時，被加工件對刀具（架）有反作用力，使之變形. 故從整體上看，機加工是“以一個偏差影響或糾正另一個偏差”的動態(tài)補償過程 . 薄型零件對此較為敏感.據(jù)上述公式可知：適當(dāng)?shù)难b夾方式能夠減小因機床自身的綜合性誤差和夾具本身的加工與安裝誤差而復(fù)映至工件的變形，恰當(dāng)?shù)那邢髁δ軌驕p輕車床系統(tǒng)和刀具（架）的變形，有效提高薄壁工件的加工可靠性.由上式可以清楚地看出：由于工藝系統(tǒng)剛性不足，加工時會產(chǎn)生彈性壓移，形成加工誤差；又由于工藝系統(tǒng)剛度沿工件面的各個位置不同，所以加工后的零件

7、各截面的尺寸也不一致. 以軸為例，在軸上的各截面尺寸就是圓度. 因此，剛性弱的工件容易 TOC o 1-5 h z 在加工表面造成幾何誤差.薄壁套裝夾受力分析按常規(guī)裝夾，薄壁套零件受到卡爪在徑向的夾緊力作用，會引起 3 方面的誤差：（1）工件在夾緊時產(chǎn)生彈性變形；（2）夾緊時工件發(fā)生偏移，改變確定定位時應(yīng)具有的位置；（3）工件 TOC o 1-5 h z 定位面與夾具（工裝）支撐面間的接觸變形.鑒于上述薄壁套件在安裝和裝夾中的風(fēng)險因素，定位薄壁套件、減少夾緊誤差、使薄壁套件受力均勻、對被加工件的裝夾定位、受力點（面）的確定以及切削過程中控制車刀進刀量和工件轉(zhuǎn)速都是加工工藝方案和工裝制備中要考慮

8、的主要因素.誤差復(fù)映律零件加工后，存在的加工誤差與加工前毛坯的誤差相對應(yīng)，即毛坯誤差被復(fù)映到加工后的工件表面上的這種現(xiàn)象被稱為“誤差復(fù)映律”.3據(jù)上述公式可知：適當(dāng)?shù)难b夾方式能夠減小因機床自身的綜合性誤差和夾具本身的加工與安裝誤差而復(fù)映至工件的變形，恰當(dāng)?shù)那邢髁δ軌驕p輕車床系統(tǒng)和刀具（架）的變形，有效提高薄壁工件的加工可靠性.由上式可以清楚地看出：由于工藝系統(tǒng)剛性不足，加工時會產(chǎn)生彈性壓移，形成加工誤差；又由于工藝系統(tǒng)剛度沿工件面的各個位置不同，所以加工后的零件各截面的尺寸也不一致. 以軸為例，在軸上的各截面尺寸就是圓度. 因此，剛性弱的工件容易 TOC o 1-5 h z 在加工表面造成幾何

9、誤差.薄壁套裝夾受力分析按常規(guī)裝夾，薄壁套零件受到卡爪在徑向的夾緊力作用，會引起 3 方面的誤差：（1）工件在夾緊時產(chǎn)生彈性變形；（2）夾緊時工件發(fā)生偏移，改變確定定位時應(yīng)具有的位置；（3）工件 TOC o 1-5 h z 定位面與夾具（工裝）支撐面間的接觸變形.鑒于上述薄壁套件在安裝和裝夾中的風(fēng)險因素，定位薄壁套件、減少夾緊誤差、使薄壁套件受力均勻、對被加工件的裝夾定位、受力點（面）的確定以及切削過程中控制車刀進刀量和工件轉(zhuǎn)速都是加工工藝方案和工裝制備中要考慮的主要因素.誤差復(fù)映律零件加工后，存在的加工誤差與加工前毛坯的誤差相對應(yīng)，即毛坯誤差被復(fù)映到加工后的工件表面上的這種現(xiàn)象被稱為“誤差復(fù)

10、映律”.3數(shù)的增加，復(fù)映誤差逐漸減小到允許的范圍內(nèi). 這也是為何零件經(jīng)過幾道工序的加工才能獲得較高的表面精度的原因.根據(jù)以上對環(huán)形薄壁套的特性分析，在加工工裝的制備中，可以有針對性地制備專用工藝夾具.環(huán)形薄壁套加工新工藝與工裝設(shè)計軟三爪材 料軟三爪材料選用普通鋁，LY124， 5. 這種材料質(zhì)量輕，價格便宜 . 車削時，不易“吃刀”磨損切削刃口，尤其在高速切削和小進刀量時，較易獲得低表面粗糙度，是理想的工裝用料.原理及制作由于普通三爪卡盤的卡爪夾持面不是同一個面，在 2 次裝夾過程中，不能保證工件處于同一中心位置. 因此，若工件直接夾在車床的三爪卡盤上，勢必會影響其同軸度. 軟三爪通過螺釘被固

11、定在三爪卡盤上，車床加工出中心孔（夾持芯軸用）. 這樣，工件在套上芯軸后，比直接裝夾卡盤的中心位置準確度高. 此時芯軸的圓跳動就是機床主軸本身的圓跳動. 因此，軟三爪又被稱作定位爪.環(huán)形薄壁套加工尺寸圖 1 環(huán)形薄壁套環(huán)形薄壁套見圖1. 其材料為：1Cr18Ni9Ti ；工件寬度8 mn外徑 72 mm 內(nèi)徑 68.6（+0.02/0） mm ;外 徑與壁厚之比 72/1.7 =42.35;同軸度0.05.新工藝的工裝設(shè)計思路加工中薄型零件最容易出現(xiàn)的是變形問題. 這里的變形是指： 因卡盤定位引起的尺寸變形以及進刀量過大而造成的受熱變形 . 基于這種情況，在設(shè)計工裝時避免直接對工件本身定位，而

12、通過采用輔助工裝對內(nèi)、外徑定位進行加工，這樣可有效避免因工件受卡爪夾緊力而產(chǎn)生的工件徑向尺寸變形. 由于被加工材料硬且有“黏磨”性（即容易磨損刀具刃口），因此在實際加工尤其是精加工時，采用多工序小進刀量（0.03 mm左右）的車削加工方法， 以防止因進給量過大使刀具和工件摩擦發(fā)熱導(dǎo)致工件變形，并適當(dāng)延長刀刃加工時間，提高單位加工周期內(nèi)的效率.環(huán)形薄壁套加工新工藝與工裝制作上芯軸車外徑改變對工件直接定位的傳統(tǒng)方法，通過工裝對工件定位，不使工件產(chǎn)生裝夾變形. 因此，工裝的設(shè)計制作十分關(guān)鍵.工裝材料：芯軸、芯軸套、外蓋板和鎖緊蓋用黃銅（H62），因為這種材料硬度低，摩擦系數(shù)較小，特別是在高速加工時具

13、有自潤滑性 （即無需添加切削液就能車削出較高表面精度，且表面光亮，適用于間隙配合），適合車削加工. 加工中即使進刀量大，切削速度較高時也不易產(chǎn)生“黏”刀或“吃”刀現(xiàn)象 . 同時，銅屬于傳熱良好導(dǎo)體，散熱性能好. 工件在加工中所產(chǎn)生的熱量能得到及時發(fā)散，使工件不易產(chǎn)生因機加工發(fā)熱而“發(fā)脹”的現(xiàn)象，使得套在外徑上的環(huán)形擋圈“被動撐大”，影響最終的工件 TOC o 1-5 h z 尺寸.車去芯軸的毛坯外表皮后再上軟三爪夾緊定位. 根據(jù)工件的內(nèi)徑尺寸及公差將芯軸的外徑尺寸縮小0.01 mm0.015 mm,讓工件在芯軸上有個基本的中心定位.圖2外蓋板制作外蓋板應(yīng)注意，在一端面車深2 mm在圓周上留1個

14、寬度約為1 mm的圓環(huán)帶（見圖2）,即（A-B） /2=1 mm并在外蓋板中心處打一通孔，孔徑大小使得鎖緊螺釘可 以自然通過.工裝定位方法見圖3.以蓋板上的圓環(huán)帶部分“頂住”工件的外端圓， 并用螺釘鎖緊， 使得工件在加工過程中處于中心位置，以保證加工件的同軸度 . 注意用內(nèi)六角螺釘鎖緊時不要用力，只需稍稍扳緊即可，因為工件受壓變形會使加工后的徑向尺寸偏小.套外圓車內(nèi)徑 TOC o 1-5 h z （ 1）鎖緊蓋板見圖4.（ 2）芯軸套見圖5.薄型零件裝于芯軸套上，其內(nèi)徑面略低于工裝的內(nèi)徑面（即A面低于B面），刀具在加工精車時既能充分車削表面，又不會“刮擦”到工裝表面 .第 1 步完成后，工件的

15、外徑已加工至要求尺寸. 以工裝的內(nèi)徑套工件的外徑尺寸定位，加工內(nèi)徑.圖 6 車薄壁套內(nèi)圓工裝定位示意圖具體裝夾見圖6.在制作第2 副工裝時應(yīng)注意：芯軸套上 （與外蓋板接合部分）需有螺紋，使得外蓋板通過螺紋旋緊將工件緊貼在芯軸的內(nèi)徑壁來定位加工. 注意不能將外蓋板旋得太緊以免工件受力變形.工件在受壓變形后會使加工后的徑向尺寸發(fā)生變化，原因是所加工工件壁薄，在整個環(huán)形面（工件兩端面）一旦受較大力，工件在徑向上產(chǎn)生因受擠壓的“張力”而“脹大”. 這樣，徑向面向四周不規(guī)則地“鼓”起來， 在此情況下車削，盡管加工時已到尺寸，一旦外力撤銷，在材料自身回復(fù)力的作用下，工件的外徑沿徑向向內(nèi)收縮，使外徑尺寸變小

16、. 據(jù)檢測表明：尺寸回收0.01mnr 0.02 mm,即 68.58 mm68.59 mm.止匕外，其圓柱度偏差也較大.另外，軟三爪的裝夾口由車刀鏜出，芯軸通過軟三爪裝夾，前后只有1 次裝夾定位，車加工至尺寸. 這樣，工件通過芯軸定 位，軟三爪本身的中心定位基準較好（一刀鏜出），裝夾后工件 旋轉(zhuǎn)時“抖動”的振幅極小 . 這樣， 既保證工件內(nèi)外徑的同軸度，又使經(jīng)車削的表面粗糙度值最小. 如果環(huán)形工件一旦出現(xiàn)偏心，車削時會產(chǎn)生切削區(qū)域有些吃刀量大有些吃刀量小的情況，使同一面上產(chǎn)生的加工熱也不一樣，容易“拉毛”、 “碰傷”加工面，從而影響表面粗糙度.工裝制作與裝夾中須注意的細節(jié)對第 1 副工裝，外

17、蓋板和芯軸的外圓應(yīng)比工件的外圓略低.一般取小于工件外徑尺寸的0.80 mm1.00 mm為宜，即：外蓋板和芯軸的外徑為 71.00 mm71.20 mm.對第2副工裝，芯 軸套與鎖緊蓋板的內(nèi)徑應(yīng)略大于工件內(nèi)徑壁. 一般取大于工件外徑尺寸0.80 mm- 1.00 mmfe宜.即：芯軸套與鎖緊蓋板的內(nèi)徑為 67.60 mm67.80 mm.這樣，刀具在精車加工時既能充分車 削表面，又不會“碰傷”工裝表面 .工件在上工裝時已屬精加工，每檔尺寸應(yīng)分幾次車削，進刀量一般控制在0.03 mm0.04 mm.其緣由在第1.3節(jié)誤差復(fù)映律 部分已作說明. 如果加工時間充裕，應(yīng)在精加工工序間安排時效處理，以2

18、3 d為1個時效周期.這樣，既可以使材料的金相組 織趨于平衡穩(wěn)定，又能消除前道工序殘留下來的內(nèi)應(yīng)力，保證尺寸公差和精度要求.工件材料與車削轉(zhuǎn)速的關(guān)系在加工中應(yīng)注意，不同的工件材料，在精加工時車床的轉(zhuǎn)速及進刀量也應(yīng)有所不同. 表 1 是不同材料下的加工參數(shù)驗 證通過對加工系統(tǒng)的誤差理論分析、定制工藝裝備以及對加工后的零件進行檢測，以下幾點對提高薄壁套加工精度有重要作用.提高薄型零件加工時的剛度假設(shè)薄壁工件經(jīng)過熱處理后有足夠的強度，即使直接上三爪卡盤也不會因卡爪夾緊導(dǎo)致工件“變形”， 也不能直接以此車削，因為工件本身壁薄，質(zhì)量輕，夾在卡盤上做旋轉(zhuǎn)運動，精加工時車速較高，工件會不自覺地“旋轉(zhuǎn)飄浮”，

19、 使得被加工件不能處于同一中心位置. 因此，在此情形下加工出來的尺寸大多偏下公差，有的甚至超出下公差. 如果工件在數(shù)控機床上加工，則可視具體情況（包括工件剛度、同心度）直接裝夾在卡盤上，因為數(shù)控機床運動主軸的旋轉(zhuǎn)偏心誤差在0.004 mm 以下，而普通車床通常在 0.01 mnr 0.015 mm間.慣性矩？H?I=Mw （R2-r2）/5? H?式中：Mw為工件質(zhì)量；R和r為工件的外、內(nèi)徑.從上式可以得出：在整個加工過程中，被加工工件繞車床主軸旋轉(zhuǎn)，增加壁厚有利于提高工件剛度. 因此，可以采用加固方法， 即在待加工工件的內(nèi)徑里填充一些增設(shè)物，如工業(yè)用尼龍（增強尼龍66）等，以此提高工件在加工中的剛度以達到工件在旋轉(zhuǎn)過程中自減振的目的. 在這次薄壁套加工中，采用將工件套在芯軸的方式，也起到提高工件剛度和減振的效果.徑向不受外力的定位裝夾在此次工裝設(shè)計與制作中，最能體現(xiàn)薄型零件加工特點的就是定位裝夾.由于壁薄，徑向一旦受力（軟三爪卡盤的擠壓），導(dǎo)致工件變形 . 在顯微檢測儀上觀測可以發(fā)現(xiàn)：外圓已不是“圓”. 故在工裝制作中，應(yīng)盡量避開工件的徑向加載外力，設(shè)計時將工件的定位外力作用在工件的