典型非圓曲線軸類輪廓車削加工工藝研究

陳 琪

(蘇州市職業大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215104)

0 引言

軸類零件是機械加工中經常遇到的典型零件之一，主要由圓柱面、圓錐面、非圓曲線面、螺紋、溝槽、內孔及端面所組成[1-3]。軸類零件主要用來傳遞扭矩和支承傳動件，一般分為階梯軸、空心軸、光滑軸、異形軸等，而機械傳動的重要性要求軸類零件必須具有較高的精度和配合公差[4-6]。本文以典型的非圓曲線軸類零件為例，通過分析其技術要求、加工路線、關鍵工序及非圓曲線程序設計、首件調試過程控制等，為同類零件的加工提供借鑒和參考。

1 典型非圓曲線軸類零件加工工藝分析

1.1 技術要求

1.2 加工路線

選擇機床型號為沈陽機床廠生產的斜床身V2型數控車床，搭配FANUC 0i TD高性能穩定系統。零件分兩次裝夾加工，第一次裝夾完成零件所有外輪廓的加工，主要包括外圓、退刀槽、外螺紋、非圓曲面等；第二次掉頭裝夾完成左側內孔的車削加工。

1.2.1 零件外輪廓加工路線

如圖2所示，夾住毛坯車端面，確保毛坯伸出三爪卡盤的長度大于105 mm以上。

零件外輪廓的加工路線為：鉆中心孔-粗車外輪廓至長度100 mm處-精車外輪廓至長度100 mm處-車退刀槽5×1.5 mm-車外螺紋M30×1.5-6g-粗車橢圓及拋物線曲面-精車橢圓及拋物線曲面。

圖1 典型非圓曲線軸類零件

1.2.2 零件左側內孔加工路線

加工工藝路線為：手動車端面-手動鉆孔-粗車左側R20、Φ22內孔輪廓-精車左側R20、Φ22內孔輪廓。

2 關鍵加工工序及非圓曲線程序設計

2.1 零件右側外輪廓粗精加工

車削外輪廓時，選用1號93°外圓車刀，刀桿及刀片型號見表1，考慮輪廓從右向左依次單調遞增，故采用G71矩形復合循環指令粗加工效率較高，設計背吃刀量為1 mm，退刀量為1 mm。精加工時，刀具首先定位在外輪廓起始點，進給量為1 mm/r，接著慢速車削外圓C1.5倒角，進給量為0.05 mm/r，依次車削Φ29.8 mm外圓(螺紋光軸，圖1中沒標出)、臺階軸，銳邊倒角，車削Φ36 mm外圓；車削R22圓弧時，為保證圓弧的表面質量，進給量為0.03 mm/r；最后車削Φ48 mm外圓。外輪廓粗精加工后的零件見圖4。

圖2 零件加工右側外輪廓裝夾示意圖 圖3 零件左側內孔加工裝夾示意圖

表1 刀桿和刀片型號

2.2 零件右側外螺紋加工

右側螺紋的規格為M30×1.5，車削時，換3號螺紋刀，計算螺紋車削總的余量：1.2P=1.2×1.5=1.80 mm(其中P為螺距)。螺紋車削時，刀具受到的阻力較大，必須小進給量多次車削，考慮到零件的材質及刀具性能，可分5次車削。第1次車削余量為0.8 mm；第2次車削余量為0.6 mm；第3次車削余量為0.3 mm；第4次車削余量為0.1 mm；第5次車削余量為0 mm。

2.3 非圓曲線車削加工

非圓曲線的車削加工是零件編程和加工的難點，主要含拋物線和橢圓兩段曲線。曲線處曲率較大，曲線彎曲，采用普通刀具加工時容易造成過切或干涉現象，所以宜選用35°對中尖刀。選用2號對中尖刀，采用一夾一頂的方式進行拋物線和橢圓曲面加工，如圖5所示。拋物線中，設置拋物線起點到工件坐標系原點的距離#110=-64.82 mm，#111為拋物線中心Z到起點的距離，#112為方程值，#113為X坐標值，其中#111為變量，每次變化0.1 mm；橢圓曲線中，設置#110為橢圓起點到工件坐標系原點的距離，#111為橢圓中心Z到起點的距離，#113為X坐標，#111為Z坐標，設置Z方向每次變量為0.1 mm。具體加工程序如下：

T0202；

G00 X50 Z-64.82；

G73 U9 R10；

G73 P10 Q20 U0.6 F0.15；

N50 G01 X48 F0.05；

#110=-64.82；

N100 #111=76+#110；

#112=0.08*#111*#111；

#113=15+#112；

G01 X[2*#113] Z#110 F0.05；

#111=#111-0.1；

IF[#110 GE-76] GOTO 100；

#110=-76；

N200 #111=76+#110；

#112=15*SQRT[1-#111*#111]/100；

#113=30-#112；

G01 X[2*#113] Z#110 F0.08；

#111= #111-0.1；

IF[#113 LT25] GOTO 200；

N20 G01 X50 F1；

2.4 左側內孔加工

左側內孔加工時宜采用鏜刀刀桿，刀桿型號為S12M-SDUCR07D，刀片型號DCMT070202-PS，為確保加工時內孔表面無振紋，刀桿伸出長度為25 mm?？紤]到內孔輪廓由外向內單調遞減，宜采用G71矩形車削循環指令編程。設置背吃刀量為1 mm，退刀量為0.1 mm，粗加工時進給量為0.1 mm/r，精加工時進給量為0.05 mm/r。

圖4外輪廓粗精加工后的零件 圖5非圓曲線加工示意圖

3 首件調試過程分析

根據以上加工工藝方案，進行了程序編制和反復的程序模擬，并在V2型斜床身數控車床上進行了加工驗證，首次產品調試出現了以下幾個問題：

(1) 拋物線和橢圓組成的曲面處表面粗糙度值過高。曲面處表面質量不高、比較粗糙，主要是由于非圓曲線加工時Z方向的變量步距設置偏大，首次編程調試時，變量值為0.1 mm，將變量值改為0.05 mm后，曲面處的表面質量得到很大改善，可達到Ra1.6，滿足加工要求。

(2) 內孔R22圓弧不完整。首件產品檢測時發現內孔中R22圓弧加工不完整，鏜刀鏜削內孔的深度不夠，主要原因是內孔加工時鏜刀的對刀操作出現偏差。針對這一問題，解決途徑有兩個：一是在內孔加工之前要對鏜刀重新精確對刀；二是在鏜刀磨損補償中輸入相應補償值。

(3) 外輪廓粗加工后尺寸值偏小。根據程序設置，外輪廓的精加工余量為0.6 mm，粗加工后外圓直徑值預留量通常大于0.6 mm，如果出現偏小的情況主要是由于對刀不精確所致。此時應對零件外圓精確測量，然后在外圓刀磨損補償中進行相應的調整，接著再進行外輪廓精加工，直至加工至圖紙尺寸。

4 結語

分析了典型非圓曲線軸類零件的技術要求、加工路線、關鍵工序及非圓曲線程序設計，然后在機床上進行了首件調試，并對調試過程中的問題進行分析與解決。生產實踐證明，采用上述加工工藝方案，能有效地解決非圓曲線軸類輪廓加工過程中出現的問題，大大提高了零件的加工精度和效率，實現了批量化生產，對同類零件的車削加工也具有一定的實踐指導意義和價值。