高精度薄壁類圓弧槽軌道車削加工方法

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序言薄壁回轉體金屬零件具有質量輕、節(jié)約材料、結構緊湊等特點，廣泛應用于航空航天領域[1]。薄壁回轉體金屬零件在車削加工時，因零件剛性差、強度低，極易造成產(chǎn)品變形。加工過程由于刀具選用不合理、夾具裝夾錯誤而使幾何誤差增大、發(fā)生變形，不易保證零件的加工質量[2]。2

產(chǎn)品工藝分析2.1零件結構反噴管回轉體金屬零件（見圖1），產(chǎn)品材料為30CrMnSiA，調(diào)質硬度為42～46HRC。該產(chǎn)品最大直徑為153㎜，外形為類錐形，內(nèi)腔為帶拔模圓柱結構，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、外圓相對于中心的同軸度。圖1反噴管回轉體金屬零件2.2加工工藝難點該零件的壁厚不足其孔徑的1/13，加工剛性差，關鍵尺寸為圓弧滾道，要求尺寸公差范圍小。材料為高硬鋼調(diào)質，硬度高。薄壁工件本身剛性差，車削時裝夾困難，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問題[3]。加工過程中切削熱、工序間內(nèi)應力的有效釋放，可以保證零件的加工質量，滾珠彈道槽可采用間接測量的方法。2.3通用卡盤夾持變形分析夾持回轉體零件進行車削加工最常用的夾具是自定心卡盤，此卡盤夾持工件時一般不需要找正，裝夾速度較快，但是在夾持薄壁零件時普通三爪夾持受力面過小，屬于點接觸，夾持力不均勻，導致零件卸下后，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，測量結果顯示內(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了圓形，內(nèi)孔卻變成了棱形，加工產(chǎn)品不合格。a）粗加工裝夾示意

b）精車后裝夾示意

c）待檢狀態(tài)產(chǎn)品示意圖2通用夾具裝夾2.4粗、精加工分開進行對零件實行粗、精加工分開進行，粗加工盡可能多地去除余量，產(chǎn)生的切削力、切削熱較大，車削工件時溫升快，變形較大。粗、精加工之間輔以一定的冷卻時間，以消除切削熱和加工后的內(nèi)應力。3

加工工藝方案細化刀具、刀片選型，優(yōu)化切削參數(shù)，以減少切削應力及切削熱。結合上述影響薄壁件的加工因素，在加工反噴管時，采取以下工藝步驟。反噴管結構及尺寸如圖3所示。圖3反噴管結構及尺寸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mm，先加工至φ（157±0.2）mm；臺階外圓成品尺寸為mm，先加工至φ（144±0.2）mm；內(nèi)孔成品尺寸為mm，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；保證臺階長度尺寸mm、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mm，先車削至φ（151±0.2）mm；臺階外圓成品尺寸為mm，先車削至φ（144±0.2）mm；零件總長度（65±0.065）mm，先車削至（69±0.2）mm；臺階長度（9±0.08）mm，先車削至（13±0.1）mm；斜角長度成品尺寸（20±0.08），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)質熱處理：調(diào)質硬度42～46HRC。4）半精車：熱處理后的零件進行半精加工，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mm；臺階外圓至mm；內(nèi)孔至mm；滾道至mm；零件深度至（20.5±0.05）mm；保證臺階長度尺寸mm、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mm；臺階外圓至mm；零件總長至（66±0.065）mm；臺階長度至（10±0.08）mm；斜角長度至（20.5±0.08）mm；內(nèi)孔角度15°±10′；倒角0.5mm×45°。將零件取下，放置一段時間，使其應力完全釋放。5）精車：將扇形軟爪內(nèi)孔加工至mm，夾持零件左端外圓，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，保證設計圖樣兩處外圓尺寸mm、mm；內(nèi)孔尺寸mm；內(nèi)孔角度15°±8′；滾珠彈道直徑mm；滾道圓弧mm；車削滾道寬度（20±0.05）mm；保證臺階尺寸mm；倒角0.5mm×45°。利用扇形軟爪撐住零件右端mm內(nèi)孔，車削加工左端外圓及內(nèi)孔，保證外圓尺寸mm，臺階外圓mm，長度尺寸（65±0.065）mm，臺階長度（9±0.08）mm，內(nèi)孔角度15°±10′，斜角長度（20±0.08）mm，倒角0.5mm×45°。3.2工件夾具的改進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，同時保證卡爪與工件緊密結合，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，加工出右端臺階及內(nèi)孔。然后制作一副圓形撐具（見圖5），以圖3右側尺寸mm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于切削效率、加工表面質量等都有很大關系，因此選擇合理的刀具能保證產(chǎn)品的質量和生產(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

檢驗及測量4.1滾道直徑的測量方法設計滾道直徑為mm，普通的游標卡尺由于結構限制無法直接測量，需要制作專用檢具，采用比較法進行測量。具體方法為：將最小測量精度為0.01mm、量程為10mm的百分表尾端螺母卸掉，自制一根直徑8mm、長度25mm的延長桿，依靠一枚M2.5內(nèi)六角圓柱頭螺釘側向固定，將其聯(lián)接在百分表上，延長桿另一端加工成半徑為4mm的圓弧，使螺桿與百分表聯(lián)接后長度＞140mm，將量程為125～150mm的外徑千分尺調(diào)整至139mm，對百分表量具進行校準。利用百分表測量滾道直徑時，表盤面向操作人員，測量出圓弧弧頂最大值。利用百分表測量的最大值與校準值之差即為加工余量。該自制滾道直徑測量量具（見圖6）能準確測量出實際加工滾道直徑值，從而為設計工藝文件提供數(shù)據(jù)。圖6自制滾道直徑測量量具4.2滾道圓弧半徑的測量方法滾道圓弧半徑為mm，測量使用φ12.0mm的鋼珠放置在滾道槽底，利用塞尺進行檢測，測量鋼珠與滾道側壁的間隙值為α，當0.03mm≤α＜0.08mm時，判定滾道