薄壁異形筒體零件加工質量控制關鍵技術

顧柄旌，邵亞軍，高銳堂，許 浩 ,張海萬

（1.蘭州蘭石重工有限公司 機加工中心，甘肅 蘭州 730300；2.蘭州資源環境職業技術大學，甘肅 蘭州 730022；3.甘肅省大型快鍛液壓設備技術創新中心，甘肅 蘭州 730300；4.甘肅省金屬塑性成型裝備智能控制重點實驗室，甘肅 蘭州 730300）

薄壁異形筒體零件常被用在軍工和航空工業中，其結構緊湊、質量輕、管壁薄、相貫面多、剛性差，使得裝夾困難，切削變形大，降低了零件的加工精度。因此，根據此類零件的結構特點，合理選擇工藝方法、裝夾方式、刀具角度、加工路徑和切削參數，可有效地減小零件的加工變形，確保其加工質量和加工效率。若采用傳統車削方式加工此類零件，夾具只能一次裝夾定位零件的一個部位，零件的內孔精度需依靠磨削加工保證；若采用數控銑削加工方式，需經多次裝夾，不利于保證零件的加工質量；而采用五軸車銑復合加工技術，可解決車、銑削加工中的若干工序問題。

1 零件結構分析

20CrMnTi 是一種性能優越的低碳滲碳鋼，鋼中含有Cr、Mn、Ti 等元素，其淬透性較高，且有較高的強度和韌性。經滲碳淬火后，材料的焊接性能較好，具有堅硬、耐磨的表面與堅韌的心部。經正火后，材料具有良好的切削性能和較高的低溫沖擊韌性，經調質后，其硬度約為HB260～280。20CrMnTi 合金鋼中含有滲碳體顆粒鐵素體基體，屬于體心立方家族的金屬[1-4]。部分20CrMnTi 合金鋼因具有良好的表面質量特性被應用在汽車工業領域，如變速齒輪、齒輪軸、十字銷頭和花鍵軸套等[5-8]。因此，選用的毛坯為鍛件，試樣的化學成分如表1 所示[9-10]。

表1 20CrMnTi 鋼化學成分（wt%）

采用傳統的數控車、銑和磨等切削技術加工該零件，至少需要35 道工序才能完成全部加工，且加工難度很大。本次加工采用CTX beta1250 TC 五軸車銑復合加工中心，如圖1 所示。

圖1 CTX beta1250 TC 五軸車銑復合加工中心

通過分析零件結構的特點，合理規劃加工工序、巧妙選擇裝夾方式和精確計算切削參數等方面來提高加工精度，零件二維、三維設計如圖2 和圖3 所示。

圖2 二維零件圖

圖3 三維零件模型

從零件二維設計圖可知，零件的最小壁厚為2mm，屬于薄壁異形筒體零件。在車削薄壁異形筒體零件的右端時，三爪卡盤的定位精度、刀柄的剛性、毛坯臺階間隙定位和整個工藝系統的不平衡力會影響零件的圓度、內外圓的同軸度、內孔尺寸精度和內孔表面的粗糙度。

2 加工工藝分析

三爪卡盤夾持零件左端時，由于零件內部組織的軟硬程度不相一致等，導致夾緊力不均勻，且夾持表面只有15mm，增加了車削加工振動；三爪卡盤夾持零件右端時，夾緊接觸為線接觸，易引起零件的徑向彈性變形，致使完成車削撤除夾緊力后，工件內孔出現彈性變形反彈，嚴重影響了外圓、內孔的圓柱度和尺寸精度，導致工件加工尺寸不合格。內孔的尺寸為精度要求較高，若切削用量選擇不合理，對車削薄壁零件極為不利，由于內孔較深，使得排屑過程不流暢，工件的尺寸難于控制。如果采用車削或鏜銑代替磨削加工保證內孔的精度，增加了工件的不合格率。零件的外形多為圓柱相貫面，內部的螺紋需要銑削成型，且加工精度要求較高，需利用CAM軟件CAXA 制造工程師編制異型面副主軸銑削程序，若選擇稍有不當，將導致工件不合格。因此，在車銑復合機床中如何開發CAM軟件功能適應復雜零件的加工顯得尤為重要。

機床左端采用液壓自緊夾具1 裝夾零件，如圖4所示。車銑復合機床副主軸右端采用液壓自緊夾具2漲緊芯軸裝夾零件，如圖5 所示。φ23mm 內孔的深度為87mm，加工內孔需留0.5mm 余量，內孔的表面粗糙度值為0.8μm，內孔的尺寸公差為利用液壓自緊夾具3 裝夾，如圖6 所示。零件的具體加工工藝如表2 所示。

表2 加工工藝

圖4 液壓自緊夾具1

圖5 液壓自緊夾具2

圖6 液壓自緊夾具3

3 關鍵工藝的解決方法

采用三爪卡盤裝夾無法定位不對稱相貫面，需解決以下的問題：

3.1 裝夾問題

夾持毛坯左端時，選擇專用的兩爪夾具裝夾，并在軟卡爪平面上加工V 型凹槽，增大其摩擦力，則徑向夾緊接觸由線接觸變為面接觸，且增加了接觸的長度，使得夾緊力均勻分布在毛坯上，減小了毛坯的變形。卡爪安裝在機床上，其安裝的位置為卡爪內爪直徑略大于毛坯平面，如圖7 所示。重新設計毛坯后，毛坯被卡緊后卡爪的寬度與毛坯寬度之間屬于間隙配合，其表面接觸基本上為面接觸。毛坯右端加工完畢后，右端外形已加工至毛坯的中間部位，內孔已加工成型，如圖8 所示。

圖7 毛坯1

圖8 毛坯2

由于零件的形狀為非規則回轉體零件，需考慮薄壁零件容易出現變形的情況。因此，在夾持零件右端時，選用液壓漲套裝夾，經計算夾緊力達到20N 即可滿足加工要求。

3.2 ?1.5mm 孔的加工工藝

在零件未裝夾前，先需完成?1.5mm 孔的鉆削工序，為保證鉆削加工后孔的位置偏差不超過±0.2mm，在預鉆孔之前，先將毛坯端面磨削平整使其達到設計要求，此處，利用鉗工固定并鉆削孔?1.5mm，則圓柱?25mm 的關鍵位置被確定。

合理選擇切削三要素可減小切削力，從而減小了零件的變形。當背吃刀量ap和進給量f 同時增大時，切削力F 也增大，導致零件的變形也增大，不利于筒身薄壁處的切削加工。當減小背吃刀量ap 和增大進給量f 時，切削力F 減小，工件表面殘留面積的高度增大，加工質量下降。筒身經調質后其強度不高，材料的內應力增加，致使工件產生大的變形。因此，在粗加工時，背吃刀量ap和進給量f 盡量取大些，切削速度v 的取值范圍為6～120m/min；在精加工時，背吃刀量ap的取值范圍為0.1～0.2mm，甚至更小，切削速度v 盡量取大值，但不宜過高，其值約為800r/min 即可。合理選擇刀具的幾何參數，適當增大前角、主偏角和刃傾角，盡量減小刀尖圓弧半徑，使刀具保持鋒利的狀態。選用帶內冷的加長鉆銑刀，將底孔加工至?22.5mm，再利用臺階鉆頭將底部?18mm 的孔加工成通孔，便于排屑。在保證內孔不干涉的情況下，精加工時選用?20mm 的刀桿保證其具備良好的剛性，選用正前角的刀片，減小了刀尖的圓角，有效的減小了切削力對工件的作用，從而減小了因切削引起的工件振動，并選用低濃度乳化切削液（牌號為TRIM SC310），降低了切削溫度，有利于改善已加工表面的質量和提高刀具的使用壽命。

3.4 改進CAM 軟件

車銑復合系統較為復雜，根據CAM軟件CAXA 制造工程師現有的版本，向軟件廠家提出針對主軸加工程序做鏡像處理，因在同一設備中只能利用一個笛卡爾坐標系辨別方向，當主軸程序編制完成之后，默認坐標軸Z+轉換為Z-，在車銑復合鏡像之后，X 坐標發生了倒置，容易發生撞機事故。因此，CAM軟件如何利用設備原有代碼，重新開發新的后置文件，使之生成新的副主軸轉向代碼。

針對以上情況，具體的實施方法有兩種，在副主軸端面測量工件后，利用西門子840DSL 機床系統原有OFF 坐標系，對Z 軸鏡像打勾，此時副主軸編程與主主軸一樣，可看作普通數控車床的編程去操作。但此方法不適合應用于聯動銑削。普通數控車床只有一個左主軸，軸向運動只有X 向和Z 向，但雙通道雙交換式車銑復合軸數達到了七個，聯動軸數達到了五個，編制副主軸程序可依據CAM軟件完成。國內CAXA 軟件副主軸的編程原理為-Z運行至+Z，大多數情況下無法生成加工軌跡。正確的操作步驟為：利用創建坐標系的功能，將+X 方向創立一個+Z 方向的坐標系，待軌跡生成后，利用后處理對話框選擇對應的車銑復合機床坐標系。針對多軸聯動的情況，創建與機床裝夾一致的坐標系即可。采用副主軸加工時需時刻關注面板鏡像的運行情況，并重新對CAM軟件中編程部分添加知識記憶，再次生成副主軸程序時，固定界面，使之不易出錯。

通過改進CAM軟件和解決以上關鍵工藝難題，薄壁異形筒體零件的最終加工結果如圖9 所示。

圖9 薄壁異形筒體零件的最終加工結果

4 結語

通過以上四個方面的工藝方案改進，較好地解決了五軸數控車銑復合加工薄壁異形筒體零件的難點問題，使得薄壁異形筒體零件各相貫面、外表面和內孔的尺寸精度、形位公差和表面粗糙度均達到設計圖紙的要求，滿足了零件的加工精度要求，縮短了加工時間，提高了零件加工的合格率，減輕了操作者的勞動強度，經濟效益比較明顯。