復雜軸類零件以車代磨工藝

李剛，雷發林，徐英杰

山東日照市七星汽車部件有限公司 山東日照 276800

1 序言

軸套類及盤類產品主要用車床加工。對于單一直軸的車削加工較為簡單，精度比較容易保證；對于復雜軸類零件的大批量加工，若想達到幾何公差及加工表面粗糙度要求，則難度較大。

2 復雜軸類零件加工工藝分析

某復雜軸類零件尺寸及技術要求如圖1所示。零件材質為40Cr鋼，調質處理后的硬度為28～34HRC，大軸承位至端面中頻淬火。大批量加工這類產品軸部的傳統工藝為：銑端面打中心孔→粗車→半精車、車螺紋→中頻淬火→磨大外圓、R弧和端面→磨小軸徑。

圖1 某復雜軸類零件尺寸及技術要求

傳統工藝存在的缺點：①工序流轉較長，占用設備及人員較多，需要及時修磨外圓及棱邊R8mm弧，加工比較繁瑣，效率較低。②由于工件盤面及兩耳為復雜的異形件，并且頭部質量較重，所以采用雙頂尖夾緊結構，在外圓磨削時，工件轉動因離心力受力不均，圓柱度、跳動度及尺寸公差不易保證，不良品控制難度相當大。③由于工件頭部尺寸較大，回轉直徑也相應增大，所以磨床的選擇較為困難。

考慮到目前公司擁有先進的數控加工設備以及性能優越的切削刀具，認為軸部加工完全可以采用以車代磨工藝，從而促進產品質量升級，提高加工效率。

3 設備的選擇

因工件要求大軸頸位中頻淬火硬度為52～63HRC，車削淬硬鋼與車削非淬硬鋼相比，切削力將增加50%以上，切削所需功率增加2倍左右，所以硬車削對機床系統剛度、功率等提出了更高的要求。機床間隙和剛度決定了振刀、讓刀等問題的發生率，也會影響加工工件的尺寸精度、幾何公差和表面粗糙度。

公司有普通數控車床和斜身數控車床可供選用。由于斜床身數控車床具有45°高強度傾斜導軌，精度穩定可靠；具有高精度通孔式主軸結構，抗振性能好；配備多工位轉塔刀架，可就近換刀，定位精度較高，且換刀時間較短。所以選用斜床身數控車床，采用以車代磨工藝進行加工，工藝流程為：打中心孔→粗車→中頻淬火→以車代磨精車外圓。

4 加工工裝的設計

雖然斜床身數控車床具有高剛度、高精度且抗振性能好的優點，但是對于圖1所示頭部較大的工件，由于受離心力的影響，仍會造成設備出現振動較強的現象，影響工件軸部的徑向圓跳動、軸向圓跳動及圓柱度等，從而影響產品精度及裝配精度，甚至影響產品使用的安全性，因此，必須采用合理的夾具來保證工件運轉的穩定性。

4.1 第一種工裝的設計

第一種工裝如圖2所示，采用的是雙頂、一靠一夾的定位夾緊方式，即設計制作專用夾具安裝在主軸上，通過主軸頂尖與尾座頂尖頂緊工件中心孔定位，工件的一個側面靠在一個螺釘上，另一個側面由另一個螺釘夾緊。該工裝的優點是結構簡單、制作成本低。缺點是因用一個螺釘將工件的一個側面壓緊，使工件靠在另一個螺釘上，壓緊力會使工件的中心錯位，成為虛定位，影響工件旋轉的穩定性，不能滿足工件精加工的尺寸精度、幾何公差要求，且手動夾緊費時費力，所以該工裝通常只用在粗車工序上。

圖2 第一種工裝

4.2 第二種工裝的設計

第二種工裝如圖3所示，用螺釘固定在機床主軸上。當踩動液壓開關，液壓缸推動拉桿，使拉桿帶動導桿后移時，導板也隨之后移，使搖臂向下擺動，從而使固定在定位座上的兩卡爪隨同傾斜，夾緊工件。當加工完畢后，踩動液壓開關，液壓缸推動拉桿，導桿隨著移動，并帶動導板前移，使得搖臂上擺帶動左、右卡爪向后傾斜，松開工件。

圖3 第二種工裝

工裝結構的特殊性使其在使用中穩定可靠，主要是因為：頂銷在彈簧作用下把搖臂和卡爪定位在固定座上，使搖臂和卡爪在沒有夾緊的狀態下處于一個合理對稱的位置。當工件處于夾緊的不對稱狀況（無論是工件不對稱，亦或是裝夾定位不對稱）時，左（右）卡爪或某一卡爪先接觸工件，使得頂銷壓縮彈簧在固定座定位孔后移，迫使卡爪及定位座帶動搖臂及浮動塊作軸向旋轉，直至另一卡爪接觸工件，最終兩卡爪抱緊工件；當加工完畢松開工件時，彈簧壓動定位塊重新在固定座定位孔內定位，使得浮動塊及搖臂復位。當搖臂轉動時，將會帶動浮動塊進行一定量的轉動或擺動，而不影響導板的工作。

工裝安裝使用前應進行動平衡試驗。安裝工件時，應使工件在左頂尖上先定位、后踩動液壓開關頂緊尾座頂尖，再夾緊工件，最后起動機床開始加工。

該工裝的優點是：兩卡爪抱緊工件不會使工件中心錯位產生虛定位，定位準確，工件夾緊力大，穩定可靠，無振顫現象。該工裝適用于質量較大、頭部異型的復雜工件。

5 刀具的選擇及工藝設計

圖1所示復雜軸類零件的粗車、半精車工序采用圖2所示工裝夾具，刀具采用WNMG080408N硬質合金涂層刀片，刃傾角為0°，刀尖半徑0.8mm，轉速500～600r/min，切削深度2～3mm，進給量0.15～0.30mm/r。將所加工區域大部去除，留有精車量0.35mm，過渡錐面區域加工至成品尺寸。

中頻淬火后采用以車代磨工藝精車大、小軸承位及軸頭螺紋，采用圖3所示工裝夾具。淬火區包括大軸頸φR8mm弧及端面，采用CBN刀片CNGA120412，刃傾角0°，刀尖半徑1.2mm，主軸轉速650～800r/min，切削深度0.35mm。根據刀尖半徑rε=1.2mm、表面粗糙度值Ra=0.8μm，由公式計算得出進給量fn≈0.0876mm/r，fn實際取值0.08mm/r。采用陶瓷刀片WNMG080404加工φ100mm圓柱面以及端面，主軸轉速仍采用650～800r/min，切削深度0.35mm，進給量為0.07mm/r。對于小軸頸φ可以采用陶瓷刀片WNMG080404，進給量為0.05mm/r；也可以采用CBN刀片CNGA120412，進給量提高到0.08mm/r，生產效率提高了，但刀片費用略有增加。適當減少進給量會降低表面粗糙度。

目前車削也常采用修光刃技術，其優點在于實現了“加工時間減半，表面質量倍增”，省去磨削工序，實現了“以車代磨”。但是對于本例，由于工件頭部較重、形狀復雜，轉速難以達到工藝要求，所以加工表面經常出現類似于擦傷的不光澤面，色澤差異較大，表面粗糙度也沒有達到要求。這主要有兩個原因，一是積屑瘤，二是刀尖與工件的接觸長度比標準刀片長。因此本例沒有采用修光刃技術。

6 冷卻方式

對于斷續切削工件來說，最好采用“干車削”，否則進刀和退刀時的熱沖擊會引起刀片破裂。至于連續切削，刀頭在干車削過程中產生的高溫足以韌化預切削區域，從而降低材料硬度，使之易于剪切。同時，干切削方式具有明顯的成本優勢。本例粗車雖然是連續切削，目的是去除加工余量，為精車做準備，但尺寸精度及幾何公差并不作為主要技術要求，所以仍然采用干車削。但是在精車中，尺寸精度、幾何公差以及表面粗糙度是必須保證的，如果采用干車削，加工過程中產生大量的切削熱，工件溫度高，當冷卻后，尺寸差異較大，難以保證尺寸公差及圓柱度。因此，以車代磨精車工藝采用水基切削液，有助于延長刀具壽命和保證產品的技術要求。此外，高壓切削液可以減少切屑堆積，從而降低因為切屑阻塞對切削液流至刀頭的影響，也要求切削液有一定的防銹能力，防止環境介質及殘存切削液中的油泥等腐蝕性物質對金屬產生侵蝕。

7 效果分析

本案例采用以車代磨工藝，取得了很好的加工效果，檢測結果見表1。

表1 檢測結果

8 結束語

復雜軸類零件以車代磨工藝實現批量加工，整個工藝系統必須保證工件加工運轉過程中的定位穩定性，以及車削過程中切削工藝設計的合理性。實踐證明，以車代磨工藝是先進的加工方式，不僅降低了廢品率，減少了周轉，而且完全可以替代車削+磨削工藝，提升了產品質量。經檢測，該工藝的所有技術指標都優于傳統工藝。