不銹鋼閥芯零件的加工工藝分析與優(yōu)化

摘要：為解決新型不銹鋼閥芯初次加工不合格的問題，根據(jù)零件形狀與材料特點(diǎn)及加工難點(diǎn)，選擇不銹鋼專用刀具，設(shè)計(jì)制作簡易有效的夾具，通過Mastercam軟件根據(jù)薄片高速切削加工策略對(duì)曲面合理編制刀具路徑，以保證工件的加工質(zhì)量同時(shí)提高工件的加工效率，制造合格零件。本文對(duì)此過程進(jìn)行詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：不銹鋼閥芯 加工工藝 刀具路徑

在設(shè)計(jì)制造一臺(tái)新型灌裝設(shè)備的過程中，有一重要零件——灌裝頭閥芯需要進(jìn)行機(jī)床加工。初次加工的成品經(jīng)檢驗(yàn)葉片定位精度不合格，對(duì)設(shè)備性能造成不良影響，以及表面粗糙，造成后續(xù)拋光工序困難。對(duì)其加工過程進(jìn)行了解，得知零件為不銹鋼304鑄件，雖然采用加工中心機(jī)床進(jìn)行加工，但由于使用普通的高速鋼刀具，運(yùn)用簡單的V形塊與平口鉗進(jìn)行裝夾，而且刀具路徑不合適，因而最終效果不理想。由于閥芯零件對(duì)于灌裝設(shè)備的運(yùn)行效果起著關(guān)鍵作用，而且工期較緊，決定對(duì)此進(jìn)行加工技術(shù)攻關(guān)，解決存在的問題，盡快生產(chǎn)精度較高質(zhì)量合格的產(chǎn)品。

1 零件材料形狀尺寸分析

對(duì)于如圖一所示的零件，其特點(diǎn)如下：

1.1 零件整體外形為圓柱體，底部為十字凹槽，起傳動(dòng)聯(lián)接作用。

1.2 中下部為鍵槽形通孔，兩側(cè)有密封圈槽。

1.3 上部為12塊導(dǎo)流葉片，投影形狀為圓弧形，高度方向?yàn)?7.5度斜角，為陡斜面。

1.4 從銑削加工角度整體而言，Z軸方向高度較大。

1.5 材料為不銹鋼304。

2 加工工藝分析

2.1 刀具材料選用。閥芯選用不銹鋼材料，一是保證食品衛(wèi)生安全，不產(chǎn)生銹澤污染食品安全問題，二是保證設(shè)備不受腐蝕，經(jīng)久耐用。304（0Cr19Ni9）為奧氏體不銹鋼，含碳量0.03-0.1%，含Cr18-20%，含Ni8-10%，硬度不高，但其機(jī)加工特性不好，導(dǎo)熱差，容易沾刀。因此需要采用專用的加工不銹鋼用涂層刀具。鎢鈷鈦鈮硬質(zhì)合金（YW）被稱為通用合金，也適合加工各種特殊合金等難加工材料。這種牌號(hào)的刀具耐熱性好，能承受一定的沖擊負(fù)荷，適用于耐熱鋼和不銹鋼的切削加工。由于不銹鋼韌性很大，加工硬化趨勢很強(qiáng)，所以應(yīng)將前角取的小些，后角也不能過大，在機(jī)床系統(tǒng)剛性和切削要求許可時(shí)，盡量把主偏角做的小些。

2.2 工藝順序。①車削加工——粗車毛坯至φ104×110，一端精車至φ100×55，精車兩個(gè)密封圈槽。②銑削加工——在精車過的一端銑正六角面，長度為12，供裝夾用；粗銑葉片中部曲面，粗銑葉片，單邊留余量2mm（葉片最小間隙處余量可減少）。③銑鍵槽孔——以小平口鉗裝夾六角面兩個(gè)面，再以機(jī)床平口鉗裝夾小鉗，加工3個(gè)45×10的鍵槽孔。④銑十字槽——銑削去除正六角形面，粗精加工十字槽。⑤葉片加工——制作夾具（詳見“夾具設(shè)計(jì)”），粗精加工葉片部分及球面。（詳見“葉片加工”）⑥球面加工——球面半精加工及精加工選擇螺旋等高方式。

2.3 夾具設(shè)計(jì)。工序⑤粗精加工葉片部分所有曲面時(shí)，由于φ100×40的圓柱已經(jīng)過精車，并加工2道密封圈槽，僅用V形塊裝夾，安裝不牢靠，且定位不準(zhǔn)確，且容易夾傷工件，這是初次加工存在問題的重要原因。零件底部有精加工過的方槽，以方槽來定位，設(shè)計(jì)制作（如圖二）的夾具，可解決定位與夾緊的問題。

夾具首先制作機(jī)架，一個(gè)與方槽接觸的雙斜面塊，兩個(gè)楔形塊，通過螺桿螺母裝置壓緊兩個(gè)楔形塊，使零件緊緊地固定在夾具上，再整體裝在平口鉗中夾緊。

3 葉片加工

經(jīng)測量，葉片為薄片，最薄處為0.4mm，屬于薄片加工，葉片間最小間隙為13.3mm，Z軸方向葉片最高處為50mm，由于初次加工中采用了傳統(tǒng)的數(shù)控加工方法——粗加工采用曲面加工挖槽式粗加工，精加工采用陡斜面精加工+放射狀精加工，加工的最終效果不佳。在切削過程中引起了切削方向、切削負(fù)荷等的突變，從而給零件、機(jī)床和刀具帶來沖擊，破壞加工質(zhì)量，損傷刀具，加工出來的產(chǎn)品精度不高，薄片質(zhì)量不過關(guān)，為減少振動(dòng)與葉片的變形和刀具的磨損，采用高速切削加工，即高轉(zhuǎn)速、少進(jìn)給量的方案進(jìn)行加工。

數(shù)控高速切削加工的切削速度、進(jìn)給速度相對(duì)于傳統(tǒng)的切削加工，以級(jí)數(shù)級(jí)的提高，切削機(jī)理也發(fā)生了根本的變化。與傳統(tǒng)切削加工相比，切削加工發(fā)生了本質(zhì)性的飛躍，其單位功率的金屬切除率提高了30%～40%，切削力降低了30%，刀具的切削壽命提高了70%，留于工件的切削熱大幅度降低，低階切削振動(dòng)幾乎消失。隨著切削速度的提高，毛坯材料的去除率增加，切削時(shí)間減少，加工效率提高，從而縮短了產(chǎn)品的制造周期，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。同時(shí)，高速加工的小量快進(jìn)使切削力減少，切屑的高速排除，減少了工件的切削力和熱應(yīng)力變形，提高了剛性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低，轉(zhuǎn)速的提高使切削系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的低階固有頻率，而工件的表面粗糙度對(duì)低階頻率最為敏感，由此降低了表面粗糙度。一些市場上越來越需要的薄壁工件，高速銑削可順利完成。

3.1 粗加工。高速加工粗加工所應(yīng)采取的工藝策略是——高切削速度、高進(jìn)給率和小切削量的組合。高速加工的進(jìn)行，保持恒定的切削載荷非常重要，在高速切削過程中，分層切削要優(yōu)于仿形加工，仿形加工切削余量不均勻，切削力容易發(fā)生突變，但分層加工切削能更好的保證金屬去除量的恒定，保持了恒定的切削載荷。所以等高加工方式是眾多CAM軟件普遍采用的一種加工方式。應(yīng)用較多的是螺旋等高和等Z軸等高兩種方式，也就是在加工區(qū)域僅一次進(jìn)刀，在不抬刀的情況下生成連續(xù)光滑的刀具路徑，進(jìn)、退刀方式采用圓弧切入、切出。在高速加工中運(yùn)用，一定要采取圓弧切入、切出連接方式，以及拐角處圓弧過渡。禁止使用直接下刀的連接方式來生成高速加工的程序。（如圖三）

因此這里采用Z向等高線層切法，即將零件分成若干層。一層一層逐層往下切，在每層中將零件的所有區(qū)域加工完再進(jìn)入下一層，在每一層均采用螺旋或圓弧進(jìn)刀，同時(shí)采用無尖角刀具軌跡。這樣有利于排屑，也避免了切削力發(fā)生突變。要對(duì)薄壁件來說，更應(yīng)采用這種刀具軌跡。因?yàn)檫@種刀具軌跡在切削過程中還能使薄壁保持較好的剛性。

刀具采用HSK的刀柄，外加動(dòng)平衡，刀具伸出長度為60mm，直徑為10mm，且采用鎢鈷鈮硬質(zhì)合金刀具。效果圖如圖四，切削用量如表一。

3.2 精加工

高速精加工策略包括三維偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等策略。這些策略可保證切削過程光順、穩(wěn)定，確保能快速切除工件上的材料，得到高精度、光滑的切削表面。精加工的基本要求是要獲得很高的精度、光滑的零件表面質(zhì)量，輕松實(shí)現(xiàn)精細(xì)區(qū)域的加工，如小的圓角、溝槽等。

對(duì)于許多曲面形狀來說，精加工最有效的策略是使用三維螺旋策略。使用這種策略可避免使用平行策略和偏置精加工策略中會(huì)出現(xiàn)的頻繁的方向改變，從而提高加工速度，減少刀具磨損。這個(gè)策略可以在很少抬刀的情況下生成連續(xù)光滑的刀具路徑。這種加工技術(shù)綜合了螺旋加工和等高加工策略的優(yōu)點(diǎn)，刀具負(fù)荷更穩(wěn)定，提刀次數(shù)更少，可縮短加工時(shí)間，減小刀具損壞機(jī)率。它還可改善加工表面質(zhì)量，最大限地減小精加工后手工打磨的需要。在許多場合需要將陡峭區(qū)域的等高精加工和平坦區(qū)域三維等距精加工方法結(jié)合起來使用。

根據(jù)曲面特點(diǎn)、高速加工及MastetCAM精加工刀路特點(diǎn)，上述幾種方法都達(dá)不到要求，根據(jù)上述的方法可提出更可靠的方案，是采用螺旋等高精加工曲面，為了減小編程的復(fù)雜性編程時(shí)，只要先做好一葉片的刀路，然后用刀具路徑轉(zhuǎn)換功能的旋轉(zhuǎn)處理，生成另外11個(gè)葉片的刀具路徑，但要注意選擇好干涉曲面，避免刀具碰傷葉片。

4 問題總結(jié)

4.1 以上方案針對(duì)單件或小量生產(chǎn)，增加六角形定位面浪費(fèi)材料與加工工時(shí)，如果生產(chǎn)量較大時(shí)，可以另外制定方案。

4.2 十字槽（方槽）夾具裝夾時(shí)應(yīng)保證安裝平整。避免傾斜造成定位不準(zhǔn)或裝夾失敗。

5 結(jié)論

根據(jù)零件特點(diǎn)及加工難點(diǎn)，通過對(duì)其加工工藝、走刀路徑進(jìn)行分析對(duì)比，提出了較好的加工方案。使用以上方法加工，整個(gè)零件的定位精度、表面粗糙度均可達(dá)到要求，解決生產(chǎn)需要。

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