高精度階梯軸加工工藝改進及刀具反裝技術應用

王運祥

(三一汽車制造有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引言

從數控技術出現以前到數控技術應用的初期，是車削過程中刀具正裝方式的一統天下，基本上沒有刀具反裝方式。刀具反裝技術是數控車床發展到一定階段以后的產物，它是隨著數控車床對刀具使用原則的不斷變化而發展起來的。這種刀具裝夾方式能夠較好地解決切屑對刀具穩定性的影響，可有效避免切屑集聚和纏繞，以保證工件的加工精度，同時切削液直接冷卻后刀面，有利于提高加工表面質量[1]。

刀具反裝方式為：前刀面向下安裝，進給方向及主軸旋轉方向均與刀具正裝相反。在某些數控車削過程中，刀具反裝和刀具正裝的同時運用可有效減少工件的裝夾次數，提高機械加工的效率，同時更有利于保障工件的形位公差精度[2]。

1 零件圖及加工難點分析

在生產加工過程中，經常會遇到如圖1所示的階梯軸類零件，其兩端均有加工精度要求很高的外圓，而且3個高精度外圓的形位公差同軸度要求為φ0.01mm，加工過程較為復雜。既要保證外圓精度和形位公差要求，又要有效提高生產效率，這是生產過程中必須要解決的問題，也是工藝設計的基本需求。

圖1 高精度階梯軸零件圖

2 加工工藝分析

2.1 工藝改進

根據上述零件圖及加工難點分析，該零件的主要加工難點有兩個：公差0.016mm和同軸度φ0.01mm。按照傳統的工藝和設備，通常選用車磨結合的加工方法，即先粗車成形，然后使用磨床進行磨削，以實現加工要求[3-4]。然而，隨著數控車床加工精度的不斷提高，上述公差和同軸度要求已經完全可以實現，如德瑪吉數控車床，可以實現公差0.01mm以內的高精度加工，并且在一次夾裝過程中可以實現同軸度φ0.01mm的形位公差。

根據實際加工經驗，現將該高精度階梯軸類零件的加工工藝過程進行對比分析，如圖2所示。

圖2 零件加工工藝過程對比圖

由圖2可以看出，高精度數控車床完全可以在車削工序實現上述零件的加工要求，取代原有的車削加磨削加工方法。對該類階梯軸零件加工工藝的改進，可有效提高零件的加工效率。

2.2 車削加工方法的確定

根據上述工藝改進分析，選用高精度數控車床進行加工，其外圓精度易于保證，但在車削過程中，如何保證φ0.01mm的同軸度呢？這是應用高精度車床改進加工工藝必須要解決的問題。

對于數控車床來說，保證同軸度的方法大致有以下幾種一次夾裝完成法、同心工裝法和車磨結合法。其中一次夾裝完成法最為簡單實用，但是并不是所有的零件都適用，因為在實際的加工過程中要考慮到刀具與零件表面之間的相互干涉等情況[5]；同心工裝法，需要有一定的配合面，使工裝和零件之間相互配合，且可能會產生配合誤差，適用范圍有限[6]；車磨結合法，可以實現較高同軸度的加工，但是其效率較低、耗時長，不利于實際生產[7]。在實際的生產過程中，因考慮加工效率和成本問題，故選用一次夾裝完成法。對于如圖1所示的階梯軸來說，要在一次裝夾中完成精車工步，又不會使刀具和工件之間發生干涉，刀具反裝技術能夠很好地解決這一問題。

刀具反裝方式僅適合于數控車削，這種方式的刀具裝夾與普通車床上的刀具裝夾方式相反，前刀面向下安裝，其進給方向及主軸旋轉方向均與普通車床相反，基本原理如圖3所示。

圖3 數控車床刀具裝夾原理圖

在高精度數控車床上應用刀具反裝技術，設計該階梯軸類零件的精車過程如圖4所示。在一次夾裝過程中，由正裝刀具完成階梯軸右側部分階梯外圓的加工，其精車路線如圖4走刀路線二所示，由反裝刀具完成階梯軸左側部分階梯外圓的加工，其精車路線如圖4走刀路線一所示。這種加工方法有效避免了工件的二次夾裝，同時又不會使刀具與工件之間發生干涉，能夠很好地保證軸類零件的加工精度及同軸度等形位公差。

圖4 零件精車過程示意圖

3 數控車床刀具反裝技術的應用

3.1 車削工序設計

零件毛坯為直徑60mm、長220mm的棒料，材料40Cr，調質硬度229 HB～269 HB。根據圖1所示的零件圖，設計車削工序的加工步驟如表1所示。

表1 車削工序表

3.2 加工程序編制

德瑪吉數控車床CTX400 Serie2配置HEIDENHAIN CNC PILOT 3190數控系統，運行在Windows環境之下，采用“人機對話，圖形支持”方式進行工作。編程時既可以通過輸入加工材質、零件毛坯形狀、零件精加工形狀、選定刀具、設定粗精加工參數等，自動生成刀具路徑，也可以手動輸入刀具加工路徑，易于操作，加工效率高[8]。本文所涉及的高精度階梯軸零件，由于其加工過程需要采用刀具反裝方法，所以部分加工程序需要手動輸入并調試。CTX400 數控車床所配備的CNC PILOT 3190數控系統，常用的G代碼和M代碼功能如表2所示。

表2 CTX400常用指令代碼表

CNC PILOT 3190數控系統的G代碼和M代碼種類還有很多，此處由于篇幅限制僅列出了編程所需的部分代碼。根據3.1車削工序設計，工步1)-工步3)的加工程序加工程序相對簡單，且未涉及刀具反裝的加工程序，此處不再贅述，本文僅給出了工步4)的加工程序。在編制工步4)程序時，需要對其零件毛坯形狀、零件精加工形狀進行描述，其中工步4)的零件毛坯形狀即為工步3)完成后的單步零件圖，零件精加工形狀即為工步4)完成后的單步零件圖，如表1所示。工步4)具體加工程序如下：

ROHTEIL [BLANK]

(零件毛坯形狀描述)

N1 G0 X0 Z0

N2 G1 X60

N3 G1 Z-26

N4 G1 X56.5

N5 G1 Z-124.5

N6 G1 X40.5

N7 G1 Z-162.5

N8 G1 X35

N9 G1 Z-193

FERTIGTEIL [FINISHED PART](零件精加工形狀描述)

N10 G0 X0 Z0

N11 G1 X35 B-2

N12 G1 Z-27

N13 G25 H7 I-3.5 K4

R1.5 P0 W90 A0

N14 G34 F1.5

N15 G1 X45 B-1

N16 G1 Z-47

N17 G1 X43 Z-48

N18 G1 Z-71

N19 G1 X45 Z-72

N20 G1 X45 Z-92 B1

N21 G1 X55.9 B1

N22 G1 Z-124.5 B-1.5

N23 G1 X40

N24 G1 Z-162.5 B-1

N25 G1 X35

N26 G1 Z-193

N27 G1 X0

BEARBEITUNG [MACHINING](加工程序)

N28 G54

N29 G26 S2800

N30 G14 Q0

N31 T4(選用粗車刀、粗車右側外圓)

N32 G96 S180 G95

F0.22 M4

N33 G0 X60 Z3

N34 M108

N35 G1 X56.5

N36 G1 Z-28

N37 G1 X58

N38 G0 Z3

N39 G810 NS12 NE21

P3 I0.4 K0.06

(調用零件精加工描述程序)

N40 G14 Q0

N41 T6(選用切槽刀，清根槽)

N42 G97 S750 G95 F0.06 M4

N43 G0 X50 Z-28

N44 G860 NS13 NE13 I0 K0

(調用零件精加工描述程序)

N45 G14 Q0

N46 T8(選用精車刀，精車右側外圓及倒角)

N47 G96 S278 G95 F0.11 M4

N48 G0 X35 Z3

N49 G890 NS12 NE21

(調用零件精加工描述程序)

N50 G14 Q0 M5

N51 T12(選用反裝精車刀，反刀精車左側外圓及倒角)

N52 G96 S280 G95 F0.09 M3

N53 G0 X58 Z-124.51

N54 G1 X40.5

N55 G0 X50 Z-130

N56 G0 Z-164

N57 G0 X42

N58 G1 X38 Z-162.5

N59 G1 X40 Z-161.5

N60 G1 Z-124.5

N61 G1 X53

N62 G1 X55.8 Z-123

N63 G1 Z-91

N64 G14 Q1 M5

N65 T10(選用螺紋刀，車右側M35螺紋)

N66 G97 S1400 M3

N67 G0 X40 Z3

N68 G31 NS12 I0.35

B5 P3 D0

N69 G14 Q0

N70 M109

N71 M30

3.3 首件檢測

利用上述加工方法，在德瑪吉數控車床CTX400 Serie2上完成首件試制并進行檢測，檢測結果完全符合圖樣要求。由于此零件在首件檢測過程中需要檢測的尺寸較多，此處僅列舉幾處關鍵尺寸的檢測結果，如表3所示。

表3 檢測結果

根據上述首件檢測結果，在高精度數控車床上利用刀具反裝技術完成了高精度階梯軸零件的加工，且該零件各尺寸、形位公差及表面粗糙度要求均滿足圖樣要求。

4 結語

本文對一種高精度階梯軸零件的加工難點進行了分析，并利用刀具反裝技術及高精度數控車床對其加工工藝進行了改進，省略了傳統的磨削工序，有效提高了加工效率。同時，對刀具反裝技術的基本原理進行了詳細的闡述，并根據該原理針對如圖1所示的零件圖設計出了詳細的車削加工工序，編制了刀具反裝工步的數控加工程序，完成了該類階梯軸零件的精加工，可為該類階梯軸零件的加工工藝改進提供參考。