考慮加工變形的軸承環加工工藝優化研究

顧濤

（蘇州工業職業技術學院，江蘇 蘇州 215104）

0 引言

近幾年來航拍技術發展迅猛，應用越來越廣泛，尤其是在勘探、偵察、搜尋等領域發揮著十分重要的作用。拍攝距離遠是航拍的一大特點，也是和普通拍攝的一大區別。由于拍攝距離遠，所以航拍時要求對焦精準。航拍相機變焦筒軸承環（以下簡稱軸承環）是航拍相機中的重要零件，軸承環的精度直接影響對焦精度，尺寸精度要求十分高，尤其是直徑方向的精度，一般允許誤差小于0.015 mm，同時軸承環是一個薄壁的回轉體零件，在加工過程中容易產生變形（特別是直徑方向的變形），加工難度大。某軸承環制造企業在加工軸承環的過程中一直存在良品率不高的問題，急需對該軸承環加工工藝進行分析優化。

1 軸承環原有加工工藝分析

1.1 軸承環加工要求

軸承環的主要工藝尺寸如圖1所示，軸承環材料為GCr15，硬度要求為50～55 HRC。軸承環整體上呈一薄壁回轉體環狀零件，最大直徑為60.4 mm，長度為11 mm，壁厚最小處為1.2 mm，是典型的薄壁零件。該軸承環尺寸精度要求十分高，兩端直徑55 mm內孔精度高達0.015 mm，直徑為57.4 mm的外圓精度高達0.025 mm，同時內孔相對外圓的同軸度和圓跳動高達0.01 mm。直徑55 mm內孔、40°錐面、直徑57.4 mm外圓及左端面的粗糙度要求為Ra0.4 μm，其余加工面粗糙度要求為Ra0.8 μm，表面質量要求也十分高。從加工工藝角度看，該軸承環加工精度要求高、表面質量要求高、壁厚薄并且裝夾困難，容易產生加工變形，屬于典型的難加工零件。

圖1 軸承環的主要工藝尺寸

1.2 軸承環原有工藝及不良品分析

某企業在加工軸承環時，按照粗車→熱處理→精車進行工序劃分，加工工序劃分如表1所示。

表1 原有工序劃分

隨機抽取100個加工完成的軸承環進行檢測，結果發現完全符合圖樣精度要求的只有46個，不良品率高達54%。進一步對不合格的54個軸承環進行細化檢測分析，可知不合格的主要原因有3項，分別是粗糙度不合格、內孔直徑尺寸不合格、內孔與外圓的同軸度及跳動度不合格，具體分析結果如圖2所示。從分析結果看，由尺寸不合格造成的不良占比最低，只有6%，其原因是現代數控車床的定位精度一般可以達到0.004 mm，甚至達到0.002 mm，采用數控車床加工精度要求為0.015 mm的內孔，尺寸精度相對容易保證。由粗糙度不合格造成的不良占比34%，加工過程中零件表面的粗糙度受到切削參數、刀具性能、零件剛度等多種因素影響，其數值是一種非線性的變化。由內孔與外圓的同軸度及圓跳動不合格造成的不良占比60%，占比最大，其主要原因是加工過程特別是精加工時零件產生變形引起的。根據以上分析，如何提高表面質量和減少工件變形是降低不良品率的關鍵。

圖2 不良品分析

軸承環的最終尺寸是由精車工序得到的，粗加工工序對軸承環最終尺寸無影響，在研究過程中只需要考慮精加工工序即可。導致軸承環內孔與外圓的同軸度及跳動度不合格的主要原因是軸承環在精車過程中產生了變形，變形來自3個方面：內應力釋放產生的變形，切削力作用產生的變形，夾緊力作用產生的變形。粗加工時已經將大部分的材料切除掉，再加上熱處理，工件內應力已經基本釋放完，由內應力釋放引起的變形可以忽略不計。

1.3 軸承環原有工藝切削力分析

車削加工時，切削力會受到材料硬度、刀具角度、切削深度、進給速度、切削速度等因素的影響。軸承環原有加工工藝中精加工切削參數為：背吃刀量ap=0.5 mm，切削速度vc=320 m/min，進給量f=0.1 mm/r。在計算切削力時把總切削力分解成空間3個互相垂直的力，分別為主切削力Fc、走刀抗力Ff、吃刀抗力Fp，則總切削力的計算公式為

在實際加工中，一般使用經驗公式來計算切削力，切削力經驗計算公式為：

式中：CFc、CFf、CFp是與被切削材料、刀具材料、切削條件相關的切削力指數；xFc、yFc、nFc、xFf、yFf、nFf、xFp、yFp、nFp是與背吃刀量ap、進給量f、切削速度vc相關的指數；KFc、KFf、KFp是其他因素對切削力影響的修正系數。

軸承環內孔精車和外圓精車的切削用量一樣，切削條件基本一致，所以可認為內孔精車和外圓精車的切削力相等。通過查閱《金屬切削手冊》得到以上計算公式中的各項指數及修正系數，經計算得到：Fc=183 N、Ff=127 N、Fp=112 N。總切削力為

1.4 軸承環原有工藝中裝夾方式及夾緊力分析

軸承環精加工分2道工序完成，分別是精車內孔和精車外圓。精車內孔時采用彈性套裝夾方式，以粗加工完成的外圓及臺階作為定位基準，裝夾方式如圖3所示，夾緊力為500 N。精車外圓時采用定位芯軸裝夾方式，以加工完成的內孔和端面為基準，裝夾方式如圖4所示，夾緊力為500 N。

圖3 車內孔裝夾

圖4 車外圓裝夾

1.5 軸承環原有工藝中加工變形分析

軸承環在車削過程中受到切削力、夾緊力及軸承環旋轉所產生的離心力影響產生變形。使用UG NX12.0對軸承環內孔精車及外圓精車過程進行有限元分析，查看軸承環在精車時的變形量。精車內孔時，切削速度vc=320 m/min，根據vc=πDn/1000，計算得到n=1850 r/min。進入UG NX12.0有限元模塊，對軸承環模型進行簡化處理，去除所有圓角和斜角，設置部件材料為GCr15，對模型進行網格劃分。根據內孔精車裝夾方式和切削條件設置邊界條件和載荷，設置軸承環臺階為固定約束，并對軸承環外圓施加500 N的夾緊力，將計算得到的3個切削分力分別施加在切削區域的3個方向，對整個模型施加一個轉速為1850 r/min的旋轉載荷，邊界條件和載荷如圖5所示，解算結果如圖6所示，從圖6可知，內孔精車時，軸承環的最大變形量約為0.003 3 mm。

圖5 精車內孔邊界條件及載荷

精車外圓時，切削速度vc為320 m/min，根據vc=πDn/1000，計算得到n=1700 r/min，根據外圓精車裝夾方式和切削條件設置邊界條件和載荷，設置軸承環左端面為固定約束，并對軸承環右端面施加500 N的夾緊力，將計算得到的3個切削分力分別施加在切削區域的3個方向，對整個模型施加一個轉速為1700 r/min的旋轉載荷，邊界條件和載荷如圖7所示，解算結果如圖8所示，從圖8可知，精車外圓時，軸承環的最大變形量約為0.004 2 mm。

圖7 優化后的精車夾具

圖7 精車外圓邊界條件及載荷

圖8 優化后外圓精車有限元分析結果

圖8 精車外圓變形量

根據分析結果顯示，精車內孔時軸承環最大變形量為0.003 3 mm，精車外圓時軸承環最大變形量為0.004 2 mm，變形量總和為0.007 5 mm，再加上數控機床本身存在0.003 mm左右的誤差，變形及誤差總量已經超過軸承環0.01 mm的加工精度，因此軸承環原有加工工藝不符合產品加工要求。

2 軸承環精車切削參數優化

2.1 軸承環精車切削正交實驗

根據對軸承環不良品分析，造成軸承環不良的第二大原因是產品表面粗糙度不合格。在加工材料、機床、刀具確定的情況下，影響產品表面粗糙度的主要因素是切削用量三要素。為滿足產品表面粗糙度要求，針對切削用量三要素：切削速度vc（m/min）、進給量f（mm/r）、背吃刀量ap（mm）展開實驗，采用等水平正交表做三因素三水平實驗，根據切削加工參數手冊以及工廠實際加工經驗選取切削用量，如表2所示。切削實驗機床和刀具選用和實際加工完全一樣的型號，機床為FTC-10型斜床身數控車床，刀具為山特維克精車刀，檢測儀器為三豐SJ-210粗糙度儀。按照表2中所列出的切削參數，選用L9(33)正交表設計實驗，每組切削參數均進行3次切削實驗并檢測粗糙度，取平均值，實驗結果如表3所示。采用極差法對正交實驗結果進行分析，對粗糙度影響的主次順序為背吃刀量ap、進給量f、切削速度vc，較好三因素水平組為：背吃刀量ap=0.3 mm，進給量f=0.06 mm/r，切削速度vc=320 m/min。

表2 正交實驗加工參數表

表3 正交實驗粗糙度結果分析

2.2 軸承環精車切削力計算

根據正交切削實驗結果，優化后的軸承環精車切削參數為：背吃刀量ap=0.3 mm，進給量f=0.06 mm/r，切削速度vc=320 m/min。重新計算切削力得到：Fc=136 N、Ff=96 N、Fp=85 N。總切削力為。和原有切削參數相比，切削力有所下降。

3 軸承環精車裝夾方案優化

3.1 軸承環精車夾具設計

根據對原有加工工藝分析，軸承環精車時，切削力和夾緊力造成的零件變形高達0.007 5 mm，而且精車內孔和精車外圓是分兩次裝夾完成，會產生二次裝夾誤差并受機床精度影響。在原有裝夾方案中，夾緊力施加在外圓或者右端面上，而這兩個位置都是零件剛性較差而且精度要求較高的位置，所以造成較大變形導致產品不合格。對軸承環精車夾具進行重新設計，新設計的精車夾具要滿足兩個要求，一是要求在一次裝夾情況下完成內孔精車和外圓精車；二是要求夾緊力施加在軸承環剛性好、精度要求相對低的位置。

根據軸承環精加工要求，選用軸承環左側端面作為軸向定位基準，選擇軸承環左側外圓倒角圓錐面作為徑向定位基準，夾緊力施加在左側端面上，采用圓形吸盤作為夾具體并提供電磁吸力，夾緊工件，夾緊力等于總切削力的2倍左右，為400 N，設計后軸承環精車夾具如圖7所示。夾具上的定位面，在夾具安裝到數控車床上以后再加工得到，并且不再拆卸，直接安裝軸承環加工，以此來提高夾具定位面與機床的相對位置精度，夾具從機床上拆卸后，再次使用時，需要把夾具安裝到機床上后重新加工定位面。根據重新設計的精車夾具可知，在精車前需要先把兩個定位面，也就是左端面及倒角面加工完成，更改軸承環加工工序如表4所示。

表4 優化后的工序劃分

3.2 優化工藝后的加工變形有限元分析

經過工藝優化后，精車外圓時，切削速度vc為320 m/min，根據vc=πDn/1000，計算得到n=1790 r/min。在有限元分析時，設置邊界條件為夾具體定位面固定，夾具定位面與軸承環左端面接觸。在軸承環左端面施加400 N拉力，對軸承環外圓分別施加3個方向的切削力，對軸承環施加旋轉載荷，轉速為1790 r/min。求解得到優化工藝后外圓精車時的變形結果如圖8所示。使用同樣的方法，求解得到優化工藝后內孔圓精車時的變形結果如圖9所示。

圖9 優化后內孔精車有限元分析結果

由于改變了切削參數及裝夾方式，軸承環在精車時所產生的變形有了明顯的下降。根據有限元分析結果，從圖8可知外圓精車時的最大變形量約為0.001 3 mm，從圖9可知內孔精車時的最大變形量約為0.001 1 mm，合計最大變形量約為0.002 4 mm。同時，由于外圓精車和內孔精車是在一次裝夾中完成，裝夾定位誤差和機床本身誤差對零件加工精度影響很小，可以忽略不計，所以優化工藝后軸承環的加工誤差基本等于零件變形量，遠遠小于軸承環0.01 mm的精度要求。

4 結語

1）針對軸承環加工過程中良品率不高的現狀，通過對不合格品的分析，找出了產品不合格的兩大原因分別是表面粗糙度不合格、外圓與內孔的同軸度及圓跳動不合格。

2）通過對原有工藝中精車工序切削力及裝夾方式分析，得到了軸承環在精車工序中由切削力和裝夾方式引起的總變形量達到0.007 5 mm，已經接近產品0.01 mm的精度要求，導致外圓與內孔的同軸度及圓跳動不合格。

3）通過正交實驗，找出精車時的最佳切削參數，分別是背吃刀量ap=0.3 mm，進給量f=0.06 mm/r，切削速度vc=320 m/min，軸承環表面粗糙度大幅改善，并且切削力從243.9 N下降到198.3 N。

4）重新設計了以圓形磁力工作臺為夾具體的精車夾具，實現了在一次裝夾中完成軸承環外圓精車和內孔精車工序，并且夾緊力施加在軸承環的左端面，經過有限元分析，切削總變形量由原來的0.007 5 mm降低到0.002 4 mm。