托座加工技術(shù)研究

鄧文星，韓利萍，秦 俊，張艷文，楊少華

（1.山西航天清華裝備有限責(zé)任公司工藝處，山西長治 046012；2.火箭軍駐長治地區(qū)軍代室，山西長治 046012）

1 引言

現(xiàn)代制造業(yè)要實現(xiàn)集成化、自動化及柔性化生產(chǎn)，數(shù)控加工技術(shù)首當(dāng)其沖，其產(chǎn)品質(zhì)量的提升及勞動生產(chǎn)率的提高有賴于數(shù)控加工技術(shù)的廣泛應(yīng)用[1]。圖1所示托座為某產(chǎn)品重要的焊接結(jié)構(gòu)件，托座尺寸約為1,250×600×300mm。以前產(chǎn)品在下端有一個機(jī)加平面，可以作為整個托座后續(xù)加工的一個基準(zhǔn)，進(jìn)行后續(xù)的圓弧面加工和鏜孔。現(xiàn)在的零件已經(jīng)沒有那個機(jī)加平面結(jié)構(gòu)，使得此托座沒有了裝夾基準(zhǔn)，給托座加工帶來了困難。采用以往的裝夾方式，在機(jī)加完圓弧面之后，無法精確找到鏜孔軸線所在的位置。托座二維結(jié)構(gòu)如圖2所示，托座上端中心線與下端中心線夾角為2.45°，托座下端孔加工精度為φ60H7mm，即上偏差為+0.03mm，下偏差為0，且要求機(jī)加圓弧面直徑與機(jī)加孔軸線共面。以往生產(chǎn)過程中由于操作工采用裝夾方法不合理，導(dǎo)致對刀基準(zhǔn)位置出現(xiàn)偏差，整個托座加工完成后不能滿足工藝圖紙要求，造成了大量返工返修，滯約了生產(chǎn)進(jìn)度，影響了托座質(zhì)量。

2 加工現(xiàn)狀分析

2.1 加工設(shè)備

由于托座尺寸較大，采用180數(shù)控銑鏜加工，考慮到所需鏜孔長度270mm，要求鏜孔刀桿長280～300mm，在鏜孔過程中也受到銑鏜床轉(zhuǎn)速、進(jìn)給、被吃刀量影響，找到最合理的切削參數(shù)即可保證鏜孔刀桿震顫最小，也可保證鏜孔精度要求[2]。

圖1 托座三維模型圖

圖2 托座二維平面圖

2.2 制約因素

（1）刀具本身的因素。

刀片和托座的材料如果不匹配，鏜孔過程中會產(chǎn)生鏜孔表面粗糙度質(zhì)量較差的現(xiàn)象；剛性相對較高的工藝系統(tǒng)，支持較大的刀尖圓弧角切割。若鏜孔時每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量大于刀尖圓弧過渡刃的修光長度，將會造成加工后的表面修光不徹底。當(dāng)?shù)额^的后角太小時，不論是主后角還是副后角，都會使刀尖與托座的摩擦面積增大，工藝系統(tǒng)發(fā)生振顫；未及時更換刀尖磨損嚴(yán)重的刀片，鏜孔時孔壁會出現(xiàn)“拉毛”的情況，必然導(dǎo)致鏜孔質(zhì)量的下滑[3]。刀具因素對托座質(zhì)量影響詳見表1所示。

表1 刀具因素對托座質(zhì)量影響表

（2）切削速度的影響。

在鏜削過程中，當(dāng)切削速度選擇不當(dāng)時，鏜孔過程中會出現(xiàn)工藝系統(tǒng)發(fā)生高頻共振的現(xiàn)象，嚴(yán)重降低鏜孔尺寸精度和表面粗糙度質(zhì)量。當(dāng)切削速度過大時，可能或造成刀尖磨損嚴(yán)重，切削熱升高產(chǎn)生積屑瘤，必然降低鏜孔的尺寸精度和表面粗糙度質(zhì)量；當(dāng)切削速度太小時，鏜孔過程中存在刀尖崩刃導(dǎo)致孔壁產(chǎn)生劃痕現(xiàn)象，同樣降低鏜孔尺寸精度和表面粗糙度質(zhì)量。

（3）進(jìn)給量的影響。

在鏜孔過程中，若刀尖修光刃的有效修光長度小于所使用的刀具的單位進(jìn)給量時，必然造成孔尺寸精度不勻稱，孔壁已加工表面出現(xiàn)“螺紋”狀的劃痕；當(dāng)?shù)都庑薰馊械挠行薰忾L度比單位進(jìn)給量大的太多時，又會導(dǎo)致道具與孔壁的重復(fù)性摩擦，進(jìn)而降低孔壁的表面質(zhì)量。

（4）鏜孔余量的影響。

當(dāng)鏜孔的余量較大或不均時，必然會發(fā)生較大的切削阻力，導(dǎo)致鏜桿發(fā)生變形反彈，引起切削過程中不穩(wěn)定的現(xiàn)象，加工孔徑偏大且不均勻；當(dāng)鏜孔的余量較小時，會使鏜刀“壓不住刀”，切削過程中產(chǎn)生讓刀現(xiàn)象，產(chǎn)生一頭大一頭小的錐孔。

3 采取措施

3.1 設(shè)計裝夾工裝

為解決無裝夾基準(zhǔn)的難題，設(shè)計托座專用工裝，其三維模型如圖3所示。托座加工工裝底部平面與水平面夾角為2.45°，上端圓弧面與托座上端圓弧面貼合，裝配示意如圖4所示。首先將工裝用壓板壓緊在工作臺上，使用托座加工工裝底面平面與水平面夾角2.45°來彌補(bǔ)托座上端圓弧面結(jié)構(gòu)傾斜的2.45°，即將托座弧面R864mm與工裝弧面R864mm貼合，調(diào)整托座的中心刻線與工裝的中心刻線對齊，必要時使用墊片調(diào)整，從而保證托座底部孔φ60mm處于水平位置，即孔φ60mm軸線水平，以此來加工孔φ60H7mm（即上偏差為+0.03mm，下偏差為0）。

圖3 托座專用工裝三維圖

圖4 托座與工裝裝配示意圖

3.2 工藝方案優(yōu)化

工藝方案優(yōu)劣是影響托座加工質(zhì)量的重要因素。根據(jù)托座結(jié)構(gòu)特征及余量等因素，將工藝方案確定為粗加工→半精加工→精加工。切削參數(shù)合適與否直接影響鏜孔表面質(zhì)量[4]，根據(jù)加工方式的不同，選擇不同的刀具，選擇刀桿長度為280～300mm，相應(yīng)的切削參數(shù)如表2所示。

表2 刀具切削參數(shù)

在粗加工過程中，由于加工余量較大，產(chǎn)生的切削力較大，產(chǎn)生的切削熱也較多，為提高刀具的強(qiáng)度和耐磨性，選擇前角γo=5°、后角α0=3°、刃傾角λs=2°，由于托座剛性較差，為避免在加工中產(chǎn)生振動，選擇主偏角Kr=90°。

精加工內(nèi)孔時，為提高內(nèi)孔表面質(zhì)量，保證內(nèi)孔的圓柱度和圓度公差要求，選用了后角位α0=11°、刀尖圓弧為R0.4mm的鏜刀，以減小切削力，避免在鏜削過程中產(chǎn)生振動。刀片形狀如圖5所示，裝在刀桿上如圖6所示。

粗鏜孔的目的是去掉孔壁的大余量，為精鏜做準(zhǔn)備。粗加工中產(chǎn)生大量的切削熱與切削應(yīng)力會導(dǎo)致工藝系統(tǒng)的變形加劇。半精鏜主要是進(jìn)一步去除內(nèi)孔多余的余量，逐漸減小內(nèi)孔的形位公差，進(jìn)一步提高內(nèi)孔表面加工質(zhì)量，同時，選用較小的切削用量，減小切削熱和切削力，保證托座較小的變形；精鏜內(nèi)孔的目的是保證內(nèi)孔尺寸公差和表面粗糙度達(dá)到圖樣要求，使表面粗糙度值為Ra6.3μm，內(nèi)孔尺寸控制在φ60H7mm（即上偏差為+0.03mm，下偏差為0），為托座提供理想的尺寸和表面粗糙度值要求。

圖5 精鏜孔刀片示意圖

圖6 刀片與刀桿裝夾示意圖

4 結(jié)語

通過設(shè)計托座加工工裝，對托座進(jìn)行裝夾定位，為鏜孔做好了前期的準(zhǔn)備工作，并在具體工藝方法上采取優(yōu)化的工藝方案，選擇了合理的加工方式、刀桿及切削參數(shù)，保證了孔φ60mm的表面質(zhì)量和精度要求，有效減少返工返修，同時縮短加工時間30%，破解了加工瓶頸工序，有效保證了車間生產(chǎn)進(jìn)度。本方案還為后續(xù)類似零部件的生產(chǎn)開辟了思路，提供了經(jīng)驗，可推廣到更多類似產(chǎn)品加工。