空心軸類零件深孔加工中的刀具振動分析

周巍

上海汽車變速器有限公司 上海 201815

1 序言

在變速器新產(chǎn)品齒軸類零件試制過程中，空心軸類零件的深孔加工往往成為整個零件交樣過程中的瓶頸工序，影響到整機裝配的節(jié)點。孔深與孔徑之比＞5的孔加工即為深孔加工，而深孔加工中最突出的問題就是加工過程中的振刀。振刀在零件加工中是一種十分有害的現(xiàn)象，嚴重影響零件的表面質(zhì)量及使用性能；刀具與工件間會產(chǎn)生相對位移，整個工藝系統(tǒng)將持續(xù)承受交變載荷的作用，使刀具極易磨損甚至崩刃，正常加工過程往往會通過減少切削用量來減少刀具振動，但是加工效率也會相應降低。因此，分析空心軸類零件的深孔加工過程中的刀具振動問題并提出有效減振、消振的方案很有 必要。

2 刀具振動產(chǎn)生的原因

在進行DCT輸入外軸試制過程中，精車工序鏜深孔，由于刀具振動，內(nèi)孔孔徑尺寸和深孔軸向尺寸不穩(wěn)定，尺寸調(diào)整量與實際變動量不同，導致零件不能滿足工藝要求。

分析車刀桿加工內(nèi)孔過程，主要原因如下。

1）深孔加工處于半封閉環(huán)境，不能直接觀察刀具的切削過程和走刀情況，同時在相對封閉的狀態(tài)加工，不利于排屑及散熱，可能導致被加工零件受熱變形和堵屑。

2）刀具切削工件產(chǎn)生的切削力會使刀桿產(chǎn)生彈性變形，而切削產(chǎn)生的切屑斷掉之后該彈性變形又會恢復，在這個過程中會形成有規(guī)律變化的鏜削力F。F呈正弦波動，F(xiàn)的存在導致車削加工中的刀片出現(xiàn)顫動現(xiàn)象，當鏜削力F的變化頻率在刀具的固有彈性變形頻率范圍內(nèi)時，產(chǎn)生共振，刀桿的彈性變形加劇，顫動現(xiàn)象變?yōu)檎駝印?/p>

3 刀具振動對零件質(zhì)量的影響

零件的加工精度主要由機床、夾具、刀具組成工藝系統(tǒng)在加工過程中的各種誤差來決定。可分為兩方面：一是在加工開始之前機床、刀具、夾具本身的制造誤差或者安裝誤差；二是在調(diào)試加工和刀具切削過程中因切削力、切削熱或者堵屑造成的加工表面劃傷而產(chǎn)生的誤差。

在輸入外軸深孔加工工序，由于刀具振動產(chǎn)生的誤差對零件質(zhì)量的影響主要有以下兩個方面。

（1）表面粗糙度值大 精車深孔加工過程中由于易產(chǎn)生堵屑及過熱，未及時排出的切屑刮傷零件表面，如圖1所示。同時，刀具振動使工件和刀具之間產(chǎn)生讓刀現(xiàn)象，形成波紋甚至挖刀痕，如圖2所示。零件表面粗糙度不能滿足精度要求，并且振刀情況不可控，有時候會造成無法返工的超差或報廢。

圖1 內(nèi)孔刮傷

圖2 波紋及挖刀痕

（2）尺寸難以保證 零件的加工工藝尺寸要求如圖3所示。振刀情況下刀具每次切削量不均勻，內(nèi)孔可能出現(xiàn)錐度，且調(diào)整返工走刀過程中很難消除。圖3中φ28.06mm油封孔的輪廓報告如圖4所示，可以看出油封孔兩段孔徑是由同一刀具加工，但由于刀具振動導致孔徑大小不同。在輸入外軸精車及熱后硬車油封孔的試制過程中出現(xiàn)反復調(diào)整，但工件的內(nèi)孔尺寸及同軸度等尺寸無法保證的情況。超差零件測量數(shù)據(jù)見表1。

圖3 零件工藝尺寸要求

圖4 油封孔輪廓報告

表1 輸入外軸調(diào)試過程測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4 消除深孔加工刀具振動的措施

4.1 選擇合理刀片、刀桿降低切削力

深孔加工中的刀桿采用整體硬質(zhì)合金或者減振刀桿，切削刀片采用90°主偏角κr的刀具可有效減振。深孔加工由于尺寸限制，刀桿的長徑比＞10，需采用具有減振功能的刀桿，刀具的主偏角κr與切削力的關(guān)系曲線如圖5a所示。由于增大主偏角時徑向切削力Fp減小，軸向切削力Ff增大，故在不影響刀具強度的情況下，深孔加工或者細長軸加工應盡量增大車刀主偏角。

圖5 主偏角κr與切削力的關(guān)系

1）減小刀尖圓弧半徑rs。在相同背吃刀量的情況下，由于刀尖圓弧半徑越大，切削力越大，刀桿產(chǎn)生振動的可能性越高，故減小刀尖圓弧半徑可有效降低徑向切削力。

2）選擇刃口更鋒利的刀片。機加工刀片按是否涂層可分為涂層和非涂層刀片，由于刀具涂層時為保證刃口涂層的黏結(jié)強度，需進行刃口的鈍化處理，所以非涂層刀片往往比涂層刀片鋒利；涂層刀片中，由于化學涂層材料厚度原因，故PCD（物理涂層）也比VCD（化學涂層）刃口鋒利。

4.2 調(diào)整切削參數(shù)減小刀具振動

1）選擇合適的轉(zhuǎn)速n。利用數(shù)控車床進行深孔加工時，工件的轉(zhuǎn)速直接影響到零件的表面質(zhì)量、刀具壽面及加工效率。轉(zhuǎn)速過低易造成刀片刃口粘刃，影響表面粗糙度，不滿足工藝要求；而轉(zhuǎn)速高于一定值時，會導致切削噪聲大、切削熱量大、溫度高且刀具易磨損等后果。因此調(diào)試過程中轉(zhuǎn)速需在合理的范圍內(nèi)，以保證零件質(zhì)量，同時降低刀具消耗，提高加工效率。

2）背吃刀量ap和進給量f的選擇。深孔加工中進給量影響到切屑的形狀和長度，進給量過大或者過小都會使切屑斷屑不暢，造成堵屑；背吃刀量增大時，切削面積增大導致切削力呈正比增大。由于兩者都直接影響零件表面質(zhì)量以及加工效率，所以選擇合適進給量十分重要。在空心軸的深孔加工中主要根據(jù)零件材料、內(nèi)孔大小并結(jié)合機床調(diào)整過程中零件表面質(zhì)量和排屑情況，來綜合確定ap和f的大小。

4.3 根據(jù)零件尺寸選擇合理的工裝夾具

（1）夾具的選擇 在空心軸數(shù)控加工中，應選擇加長卡爪，使零件尾端中空，便于切屑排出，以避免堵屑、過熱等情況。

（2）裝夾方案的優(yōu)化 裝夾定位面及基準的選擇是影響零件深孔加工的重要因素，應根據(jù)零件結(jié)構(gòu)選擇合適的夾緊位置以及基準面，這是后續(xù)調(diào)試加工滿足工藝尺寸的基礎(chǔ)。在保證兩定位基準精度情況下，合理采用過定位的方式可增加工件在加工中的剛性，減小工件與刀具之間的相對位移。

在輸入外軸精車工序鏜深孔調(diào)整過程中，發(fā)現(xiàn)工藝中夾持擋長度過短，且位置與最深的油封擋距離較遠（見圖6），故鏜油封擋時，切削力可能導致零件抖動、讓刀等情況，無法保證油封擋尺寸，也無法進行下一步的調(diào)試。通過對零件結(jié)構(gòu)與卡爪裝夾方案進行分析，由3點夾緊改為3＋3的主副夾緊，其中夾持擋為主夾緊位置，旁邊一擋外徑采用卡爪限位（見圖7），減小鏜深孔過程中的零件晃動，可有效提高內(nèi)孔尺寸精度與表面質(zhì)量。

圖6 原工藝定位夾緊方式

圖7 改進后的定位夾緊方式

經(jīng)過對刀具、夾具、切削參數(shù)的綜合調(diào)整，查閱相關(guān)刀具供應商的刀具資料，選擇主偏角為90°的防振硬質(zhì)合金刀桿，刀尖圓弧rs為0.4mm的DCMT刀片，同時轉(zhuǎn)速調(diào)整為1300r/min，進給量f＝0.15mm/r，并采用改進后增加定位的卡爪，在深孔加工前增加一道預車削工序，以保證2個夾緊擋的同軸度。

最終精車零件熱前油封擋表面質(zhì)量，如圖8所示；熱后硬車油封孔表面無明顯振紋，如圖9所示。相應檢測數(shù)據(jù)見表2，內(nèi)孔孔徑、同軸度、表面粗糙度等均在工藝要求范圍內(nèi)，從而驗證了采取該措施后消除深孔加工中刀具振動的有效性。

表2 合格零件測量數(shù)據(jù)

圖8 熱前油封擋成品

圖9 熱后油封擋成品

5 結(jié)束語

基于雙離合變速器中輸入外軸試制階段制深孔加工中刀具振動現(xiàn)象，對空心軸深孔加工進行了工藝及加工方案優(yōu)化的分析。綜合考慮刀桿材料、刀具參數(shù)、轉(zhuǎn)速和進給量、夾具和裝夾方案對零件質(zhì)量、加工效率和刀具磨損的影響，從刀具、切削參數(shù)及工裝夾具三方面進行合理選擇及優(yōu)化，有效地減小了切削力及工件和刀具之間的相對位移，從而消除了刀具振動，提高了零件的加工精度，提升了生產(chǎn)效率。