重切削下異形毛坯件隨孔徑浮動精確定位技術(shù)

金鑫，金潤一

航宇救生裝備有限公司 湖北襄陽 441003

1 序言

彈射筒下支座是我公司彈射救生座椅產(chǎn)品的重要部件，是近年來救生座椅多種改進(jìn)型號的動力機(jī)構(gòu)主體件、通用件，起到與機(jī)艙主體剛性連接和快速脫離的作用，投產(chǎn)批量不斷增多。

彈射筒下支座材質(zhì)為30CrMnSiA鋼，模鍛毛坯件具有黏度較高的模鍛特性，熱處理后抗拉強(qiáng)度σb＝（1175±100）MPa，硬度高。

2 毛坯件加工工序原工藝狀態(tài)

在生產(chǎn)工藝流程中，毛坯件數(shù)控精銑工序?yàn)椋喝コ鞔笥嗔浚ＷC總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，形成外部必要型面。該型面對彈射救生座椅與基座緊固連接及快速脫離動作起重要作用。某型支座零件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該工序來料是毛坯余量大、覆蓋極硬氧化皮的狀態(tài)，如圖2所示。考慮加工時間、毛坯余量、硬度和目標(biāo)形狀等要素，采用可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀具、三面刃高鈷鋼銑刀等。

圖1 某型支座零件結(jié)構(gòu)

圖2 數(shù)控精銑工序加工前的毛坯狀態(tài)

工件的裝夾如圖3所示。依前工序完成的φ38+0.05+0mm、φ27.5+0.33+0mm孔為主定位，桿部φ24-0-0.12mm為高度定位，壓持φ24-0-0.12mm外圓上部。

圖3 工件的裝夾狀態(tài)

3 重切削下存在的問題分析

目前，避免刀具磨損過快采取的技術(shù)措施為：加大背吃刀量，確保較高的線速度。這種重切削狀態(tài)保證切削刃切削區(qū)直接越過表面硬化層，既減少了刀具損耗，又提高了加工效率。

在批量生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)存在零件尺寸超差現(xiàn)象，如圖4所示。其中尺寸（10±0.10）mm超差明顯，而且無確定規(guī)律，連續(xù)粗加工兩件零件，中心距分別為9.85mm、9.55mm，初步判斷是重切削力影響了零件安置狀態(tài)。切削力大小與零件定位夾持穩(wěn)定具有直接相關(guān)性：定位夾持越穩(wěn)定，承載的切削力越大。為了縮短加工時間，提高材料去除率，降低刀具耗損，綜合考慮材料和刀具條件，所用的切削三要素基本達(dá)到了工藝要求。

零件的定位夾持在加工過程中不能夠較好地保持穩(wěn)定的原因：①觀察φmm、φmm主定位孔和φmm高度定位桿部，其中φmm孔的偏差較大，雖為臥式鏜銑加工中心鏜加工，但是仍有0.03～0.05mm的偏差，必然影響加工穩(wěn)定性。②定位銷與孔之間的配合間隙會造成在裝夾或切削中零件的翻轉(zhuǎn)偏移，經(jīng)試驗(yàn)測量，偏移量有0.2～0.5mm。工件定位的自由度分析如圖5所示。

圖4 加工超差狀態(tài)

圖5 工件定位的自由度分析

4 技術(shù)方案論證

工藝確定的基準(zhǔn)與加工型面具有直接相關(guān)性，為了利用此基準(zhǔn)較好地保證設(shè)計(jì)性能，必須進(jìn)一步改進(jìn)裝夾技術(shù)細(xì)節(jié)。

1）若桿部φ24-0-0.12mm以V形塊定位，因定位點(diǎn)之間具有設(shè)計(jì)尺寸公差，所以為了避免過定位現(xiàn)象，調(diào)整每個零件的定位銷與桿部距離，以便零件放入，但是又產(chǎn)生了隨機(jī)性人工操作誤差。

2）在實(shí)際加工中，為了盡量減小定位間隙形成的偏差，對造成零件受力偏移的φ27.5+0.33+0mm定位孔進(jìn)行測量，并按孔徑尺寸分類，配作了近20個定位銷。由于每年生產(chǎn)的產(chǎn)品有多個批次，各批次狀態(tài)不一，所以易造成操作中測量、分析、篩選和準(zhǔn)備工作費(fèi)時費(fèi)力，非常繁瑣，然而還是有少量尺寸超差現(xiàn)象。

圖6 工件的裝夾間隙配合示意

4）桿部φ24-0-0.12mm定位了垂直高度和1個旋轉(zhuǎn)自由度；φ38+0.05+0mm、φ27.5+0.33+0mm主定位孔不僅可以定位水平面內(nèi)兩個直線自由度，還利用孔的較長軸線控制兩個旋轉(zhuǎn)自由度（見圖5）。此“兩孔一線”和常規(guī)的“一面兩孔”截然不同，與車削以內(nèi)孔定位、端面螺紋壓緊形式屬于同一類型。“兩孔一線”與“一面兩孔”的功能和作用對比見表1。

依據(jù)上述分析論證，確定以彈性機(jī)械膨脹方式形成技術(shù)解決方案。

5 技術(shù)方案的實(shí)施

技術(shù)方案的具體實(shí)施情況如下。

1）觀察理想裝夾過程發(fā)現(xiàn)，零件必須自上而下進(jìn)入夾具，即：第一步，φ27.5mm定位銷插入mm主定位孔；第二步，φ38mm定位銷插入mm輔定位孔；第三步，零件繼續(xù)下行，桿部mm接觸平面定位高度，壓板壓持兩段mm桿部，裝夾完畢。

2）通過上述裝夾推演過程，引發(fā)新思路，即充分利用裝夾下行運(yùn)動引導(dǎo)膨脹定位過程，達(dá)到配合緊實(shí)的穩(wěn)定作用。隨孔徑上下浮動定位結(jié)構(gòu)如圖7所示，由徑向膨脹結(jié)構(gòu)、軸向作動結(jié)構(gòu)和定位中心軸組成。作用過程為：零件下行套入φ27.5mm定位銷，在繼續(xù)下壓過程中，軸向作動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反作用力，向上推頂徑向膨脹結(jié)構(gòu)，下行運(yùn)動越深，上頂力越大，與壓力彈簧的線徑、外徑和有效圈數(shù)成正相關(guān)。軸向作動結(jié)構(gòu)的上頂力促使徑向膨脹結(jié)構(gòu)發(fā)生膨脹，從而脹緊φ27.5+0.33+0mm主定位孔，起主體定位作用。

表1 “兩孔一線”與“一面兩孔”的功能和作用對比

3）加工中，φ40mm×10mm T形刀的主切削力為873N，進(jìn)給力為288N，徑向力為305N。定位主體材料及中心軸選用合金工具鋼淬火材料制作，抗拉強(qiáng)度為1175MPa，與膨脹節(jié)的配合間隙為0.005mm，定位結(jié)構(gòu)剛性高。選用的高剛性壓力彈簧的總剪應(yīng)力為2173.61N。

圖7 隨孔徑上下浮動定位結(jié)構(gòu)

4）膨脹節(jié)配合面與定位孔的長度之比為5∶6，在避讓內(nèi)部突出型面的情況下使φ27.5mm膨脹銷長度達(dá)到最長，從而在強(qiáng)力膨脹之后產(chǎn)生的結(jié)果是：在穩(wěn)固φmm定位孔的同時，與之相關(guān)的所有型面群組均達(dá)到垂直、平行或其應(yīng)有的理論位置。

5）夾具要調(diào)整膨脹節(jié)“壓力彈簧的行程”，達(dá)到壓力最大，在桿部φmm未下降到定位平面高度時可繼續(xù)下降，不斷下壓的軸向彈性勢能進(jìn)一步加強(qiáng)了徑向膨脹力度和趨勢，穩(wěn)固了φmm、φmm孔的定位受力性能，以滿足零件（10±0.10）mm精度要求。

6）通過調(diào)整夾具主體，安裝彈性機(jī)械膨脹定位結(jié)構(gòu)，找正整體裝夾狀態(tài)。隨孔徑上下浮動定位技術(shù)應(yīng)用如圖8所示。試切過程穩(wěn)定，質(zhì)量指標(biāo)良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。現(xiàn)已進(jìn)行了20多個批次的生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定。

圖8 隨孔徑上下浮動定位技術(shù)應(yīng)用示意

6 結(jié)束語

由于模鍛毛坯件熱處理后抗拉強(qiáng)度σb＝（1175±100）MPa，黏度高，硬度高，形狀奇特，因此工藝要素中的刀具（切削三要素）、夾具（定位、夾持）、設(shè)備（剛性、響應(yīng)速度）和人員（專業(yè)能力、應(yīng)變能力）必須在客觀條件下取得均衡，綜合運(yùn)用，從而達(dá)到最優(yōu)性能。

通過現(xiàn)場操作和技術(shù)剖析，獲得以軸向直線運(yùn)動驅(qū)使徑向擴(kuò)展膨脹的技術(shù)新類型，膨脹節(jié)與中心軸材料必須選用耐磨損的高強(qiáng)度合金工具鋼，通過高精度配合提高結(jié)構(gòu)剛性，調(diào)節(jié)壓力彈簧行程，機(jī)械勢能轉(zhuǎn)化為彈性形變，使之在運(yùn)動中產(chǎn)生最大的反作用力，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為強(qiáng)大的膨脹剛性。

壓力彈簧線材如不銹鋼絲的剛性模數(shù)G=7300，彈簧使用壽命為600h/根，即連續(xù)生產(chǎn)600h更換一次彈簧。這里必須強(qiáng)調(diào)，選配壓力彈簧時，必須對機(jī)械加工的切削負(fù)荷進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，確保其膨脹剛性和耐用性。