薄壁零件的加工工藝和夾具設(shè)計(jì)

摘要：本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)了薄壁零件的數(shù)控車削加工工藝。通過(guò)探討薄壁零件在加工中存在的易變形、零件尺寸精度、位置精度及表面粗糙度不易保證等技術(shù)問(wèn)題，對(duì)加工難點(diǎn)進(jìn)行分析，給出了加工工藝路線和加工方案，通過(guò)優(yōu)化、完善夾具設(shè)計(jì)和切削參數(shù)，防止了薄壁零件加工變形、保證了較好的尺寸精度和位置精度，從而有效解決薄壁零件的車削加工難題。由于薄壁零件剛性差、強(qiáng)度弱，在加工中極易變形，是零件的形位公差增大，不易保證零件的加工質(zhì)量。因此對(duì)薄壁零件的裝夾，切削加工過(guò)程中刀具的合理選用及切削量的選擇，提出了嚴(yán)格要求。在普通車床上加工形狀較復(fù)雜、有一定精度要求、且需要多把刀具進(jìn)行加工的批量零件時(shí)，不僅需要頻繁換刀和裝夾，花費(fèi)大量的人力和時(shí)間，而且加工出來(lái)的零件質(zhì)量取決于加工人員的技術(shù)水平, 產(chǎn)品質(zhì)量得不到充分的保證。而運(yùn)用數(shù)控車床，結(jié)合傳統(tǒng)的加工工藝，不但能大大縮短加工時(shí)間、提高加工精度，而且成品率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。所以，在運(yùn)用數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中為保證被加工薄壁件的必要的精度，有同軸度要求的內(nèi)外圓柱面或有垂直度要求的外圓與端面，盡可能在一次裝夾中完成；需要編制其加工路線、合理的選擇個(gè)階段的加工參數(shù)并編寫高質(zhì)量的數(shù)控加工程序。為完全保證零件的形位公差需要設(shè)計(jì)其裝夾的夾具，為此，對(duì)零件圖紙、零件加工及時(shí)效處理等方面都認(rèn)真地進(jìn)行了分析和研究。圖1-1由圖1-1可看出，64mm的外圓對(duì)60mm的內(nèi)孔的同軸度，64的外圓的圓度和表面質(zhì)量以及內(nèi)孔尺寸精度的加工是該薄壁零件最主要的加工難點(diǎn)。因?yàn)樵摿慵傂圆?、?qiáng)度弱，在加工中極易變形，表面質(zhì)量、垂直度及同軸度難以保證。鏜削內(nèi)孔時(shí)應(yīng)一次裝夾中加工出來(lái)，以保證該零件的尺寸精度。針對(duì)薄壁零件壁薄、剛性差、易變形的特點(diǎn)，可設(shè)計(jì)該薄壁零件專用夾具裝夾，以保證零件的尺寸精度和形位公差達(dá)到圖紙技術(shù)要求。這些加工難點(diǎn)的存在，使得加工過(guò)程中刀具選擇、加工工藝路線安排、工藝裝夾方式確定等對(duì)于該零件是否合格非常關(guān)鍵。加工工藝分析與設(shè)計(jì)套類零件是用來(lái)支承旋轉(zhuǎn)軸及軸上零件或用來(lái)導(dǎo)向的,該類零件的主要表面是內(nèi)孔和外圓,其主要技術(shù)要求是內(nèi)孔及外圓的尺寸以及圓度要求;內(nèi)外圓之間的同軸度要求;孔軸線與端面的垂直度要求。薄壁套類零件壁厚很薄,徑向剛度很弱,在加工過(guò)程中受切削力、切削熱及夾緊力等因素的影響,極易變形,導(dǎo)致以上各項(xiàng)技術(shù)要求難以保證。針對(duì)這些問(wèn)題,本文對(duì)薄壁套類零件加工過(guò)程中裝夾方法、切削用量、刀具幾何角度等做了初步的探討。 1.薄壁套類零件的加工分析 (1)工件裝夾方法薄壁類零件在加工過(guò)程中如果采用普通裝夾方法,會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生很大的變形而無(wú)法保證加工精度。如圖1所示。圖1 套筒夾緊變形誤差 故薄壁類零件的裝夾,一般應(yīng)增大工件的支承面和夾壓面積,或增加夾壓點(diǎn)使之受力均勻,并減小夾壓應(yīng)力和接觸應(yīng)力,必要時(shí)可增設(shè)輔助支承,以增強(qiáng)工件的剛性。具體措施如下: 采用工藝夾頭裝夾車削時(shí)在坯料上預(yù)留一定的夾持長(zhǎng)度,在工件完成內(nèi)孔、外圓及端面的加工后切掉。這樣不但防止了工件產(chǎn)生太大變形,而且保證了內(nèi)孔、外圓及端面間的位置精度。但這種方法在應(yīng)用中有 局限性而且會(huì)造成材料的浪費(fèi)。 增加夾壓點(diǎn)或夾壓面積通過(guò)增加夾壓點(diǎn)或夾壓面積減小零件的變形或使變形均勻化。如:采用專用卡爪或開(kāi)口過(guò)渡環(huán)裝夾;采用液性塑料自定心夾頭或彈簧夾頭裝夾;采用傳力襯墊裝夾等。 變徑向夾緊為軸向夾緊使夾緊力作用在剛度較大的軸向,避免了徑向發(fā)生大的變形。 (2)切削用量的選擇為減少工件振動(dòng)和變形,應(yīng)使工件所受切削力和切削熱較小。在切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削力可以分解為三個(gè)分力:主切削力Fz、進(jìn)給抗力Fx、吃刀抗力Fy。切削力的經(jīng)驗(yàn)公式為: 其中吃刀抗力Fy作用在機(jī)床和工件剛度最差的方向上,容易引起切削振動(dòng)和工件的彎曲變形,影響加工精度和工件表面質(zhì)量。 切削熱計(jì)算公式為: 從以上兩式中可以看出,切削用量應(yīng)該選較小值,但考慮到生產(chǎn)率及加工塑性材料時(shí)避開(kāi)積屑瘤的影響等,一般背吃刀量和進(jìn)給量取較小值,而切削速度取較大值。從式(2)中可以看出切削速度增大后產(chǎn)生的熱量會(huì)增多,但同時(shí)工件與刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度也提高,使熱量來(lái)不及傳到工件上而大部分被切屑帶走,因此,對(duì)加工的影響并不會(huì)增大。 (3)刀具角度的選擇加工薄壁類工件的刀具刃口要鋒利,一般采用較大的前角和主偏角,但是不能太大,否則會(huì)因刀頭體積的減小而引起強(qiáng)度、剛度下降,散熱性能變差,最終影響加工精度。刀具角度的取值與工件的形狀、材質(zhì)以及刀具自身的材料有關(guān)。2加工工藝過(guò)程分析在薄壁套的加工中有兩個(gè)主要因素影響加工精度：（1）薄壁套本身的剛度比較差，在外力（切削力、夾緊力）的作用下容易變形。（2）薄壁套毛坯為d70x7的45號(hào)無(wú)縫鋼管，孔的加工余量大，切削時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，并引起內(nèi)應(yīng)力的重新組合。因此在安排工藝時(shí)，就需要把各主要表面的粗精加工工序分開(kāi)。這樣，粗加工產(chǎn)生的誤差和變形就可以通過(guò)半精加工和精加工予以修正，并逐步提高零件的精度和表面質(zhì)量，最后達(dá)到零件的技術(shù)要求。通過(guò)對(duì)該零件的基本情況及加工難點(diǎn)的分析，劃分出薄壁套零件的加工階段并制定出其加工工藝過(guò)程。62.1加工階段的劃分薄壁套的加工基本上分為三個(gè)階段：（1）粗加工階段。主要包括粗車外圓和粗鏜內(nèi)孔來(lái)去掉大部分余量。（2）半精加工階段。主要完成零件一些次要表面的加工，并達(dá)到零件表面質(zhì)量和未知精度的要求。其次，采用半精車加工在精加工之前達(dá)到必要的精度和加工余量，從而為套外圓的精加工做準(zhǔn)備。（3）精加工階段。為保證薄壁套零件外圓表面質(zhì)量達(dá)到圖紙的技術(shù)要求，采用精車零件外圓最后達(dá)到所需的精度和粗糙度。2.2定位基面的選擇薄壁套是一典型薄壁零件，在外力作用下很容易產(chǎn)生變形，薄壁套內(nèi)孔與臺(tái)階孔表面的尺寸精度和位置精度的要求比較高，因此希望以一個(gè)統(tǒng)一基面定位來(lái)加工這些要求較高的表面。實(shí)際加工中我們選擇外圓表面和斷面1作為加工定位基面。采用外圓表面和斷面1作為基面有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）用這種定位方法可以加工外圓表面、端面、內(nèi)孔。且在一次裝夾中完成精度要求較高的表面的加工，既提高了生產(chǎn)效率，又能保證各表面的尺寸精度和位置精度。（2）以外圓作為定位基面一次裝夾同時(shí)完成外圓和內(nèi)孔的加工，可以減小薄壁套的壁厚差，從而保證其壁厚均勻。（3）所選定位基面與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合，可以避免因基準(zhǔn)不重合而引起的定位誤差，更好的保證精度。2.2加工工藝過(guò)程薄壁套的尺寸精度、加工形位精度的要求比較高。但薄壁套壁薄、剛性差，容易產(chǎn)生變形，這就給薄壁套零件機(jī)械加工帶來(lái)了很多困難，必須予以充分重視。薄壁套需要加工的表面有：外圓、內(nèi)孔及左右端面等。各主要表面的工序安排如下：（1）外圓面：粗車、半精車、精車；（2）兩端面；粗車、半精車、精車；考慮薄壁套零件需要加工的內(nèi)容不多，加工完成后就能達(dá)到待檢狀態(tài)，因此以一次安裝加工作為一道工序。該薄壁零件的數(shù)控加工工藝過(guò)程如表2-1所示。表2-1 薄壁套機(jī)械加工工藝過(guò)程數(shù)控加工工藝過(guò)程綜合卡片產(chǎn)品名稱零件名稱零件圖號(hào)材料薄壁套45號(hào)無(wú)縫鋼管程序編號(hào)夾具名稱使用設(shè)備車間O0001扇形軟三爪卡盤數(shù)控車床數(shù)控中心序號(hào)工序名稱工序內(nèi)容、技術(shù)要求及工序簡(jiǎn)圖備注1粗車內(nèi)孔和端面1及半精車內(nèi)孔粗車斷面1，且粗車內(nèi)孔加工到58mm長(zhǎng)度尺寸45mm左右半精車內(nèi)孔至59mm工序一簡(jiǎn)圖2粗車端面2工件調(diào)頭粗車端面2，保證薄壁套總長(zhǎng)度為45mm工序二簡(jiǎn)圖3自然時(shí)效處理按薄壁套時(shí)效工藝進(jìn)行，時(shí)間為一個(gè)月4粗車，半精車外圓以及精車外圓采用專用夾具裝夾，加工到下列尺寸及技術(shù)條件：粗車外圓面至65mm，半精車外圓至64.4mm 精車外圓至要求尺寸64mm工序四簡(jiǎn)圖5精車內(nèi)孔工件至于套筒內(nèi)加工精車內(nèi)孔到60mm工序五簡(jiǎn)圖3加工工藝方案的設(shè)計(jì)3.1刀具的選擇數(shù)控編程時(shí)，正確選擇刀具是數(shù)控加工工藝中的重要內(nèi)容，其不僅影響機(jī)床的加工效率，而且直接影響加工質(zhì)量。選擇刀具通?？紤]工件材料、加工型面類型、切削用量，以及其他相關(guān)因素。刀具選擇總的原則是：既要求精度高、強(qiáng)度大、剛性好、耐用度高，又要求尺寸穩(wěn)定，安裝調(diào)整方便。在滿足加工要求的前提下，盡量選擇較短的刀柄，以提高刀具的剛性。在此原則上，綜合考慮45鋼材料的加工特點(diǎn)以及加工中振動(dòng)和切削力引起的變形，薄壁套零件的加工刀具均選用機(jī)夾可轉(zhuǎn)位車刀，切削刀具參數(shù)選擇見(jiàn)表3-1。表3-1刀具的參數(shù)選擇刀具名稱刀具半徑/mm主偏角前角后角刀片材質(zhì)外圓粗車刀0.490259YG6外圓半精車刀0.2752511YW1外圓精車刀0.2752511YW132切削用量的確定數(shù)控編程中，必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫入程序中。切削用量包括主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量及進(jìn)給速度等。其選擇原則是保證零件加工精度和表面粗糙度，充分發(fā)揮刀具切削性能，保證合理的刀具耐用度，并充分發(fā)揮機(jī)床的性能，最大限度的提高生產(chǎn)率，降低成本。由于此零件為薄壁零件，加工時(shí)，剛性較差，易產(chǎn)生振動(dòng)，刀具的切削硬度又不足以滿足加工需求，為此，在刀具和夾緊力相對(duì)固定的情況下，只能通過(guò)優(yōu)化切削參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以表面粗糙度計(jì)算公式： （式3-1）（進(jìn)給量，刀尖圓弧半徑）為參考，切削用量選擇見(jiàn)表3-2。表3-2切削用量的選擇刀具名稱轉(zhuǎn)速r/min進(jìn)給量/mm背吃刀量/mm外圓粗車刀6000.43外圓半精車刀12000.150.9外圓精車刀12000.150.13.3冷卻與潤(rùn)滑用硬質(zhì)合金車刀粗車45鋼時(shí)，一般要用冷卻潤(rùn)滑，但因切削用量較大，可用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的乳化液。精加工時(shí)由于45鋼容易和氫起化學(xué)作用，使薄壁套零件表面產(chǎn)生很細(xì)的針孔，不宜采用水劑切削液。為減少摩擦和粘刀，一般采用煤油或煤油加機(jī)油的混合。5冷卻液對(duì)零件冷卻時(shí)切忌時(shí)有時(shí)無(wú)，以避免刀具出現(xiàn)冷熱交變而產(chǎn)生破裂現(xiàn)象，必須連續(xù)、充分地澆注，以改善已加工表面的質(zhì)量和提高刀具使用壽命。同時(shí)工件不受切削熱的影響而使它的加工尺寸和幾何精度發(fā)生變化，保證了零件的加工質(zhì)量表。夾具設(shè)計(jì)1. 在粗車和半精車薄壁套內(nèi)表面時(shí)，我選擇的是在毛胚圓筒外面加上一個(gè)套筒進(jìn)行夾緊，在這個(gè)套筒上是開(kāi)了縫的，方便在三爪卡盤上能有效夾緊需要加工的薄壁套。2. 在半精車內(nèi)孔后，可以以內(nèi)孔為定位基準(zhǔn)加工外圓，這時(shí)就應(yīng)制作一個(gè)專用夾具心軸。 2.1夾具設(shè)計(jì)總要求夾具通常安裝在車床的主軸前端部，與主軸一起旋轉(zhuǎn)。由于夾具本身處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因而夾具在保證定位和夾緊的基本要求前提下，還必須有可靠的防松結(jié)構(gòu)。1）結(jié)構(gòu)緊湊、懸伸短 夾具是隨主軸一起回轉(zhuǎn)的，重心應(yīng)盡可能靠近主軸端部，以減少慣性力和回轉(zhuǎn)力矩。夾具懸伸長(zhǎng)度L與夾具體外徑D之比應(yīng)參照下列數(shù)值選取。 當(dāng)D150mm時(shí)， 取LD1.25； 當(dāng)150mmD300mm時(shí)，取LD0.9； 當(dāng)D300mm時(shí)， 取LD0.60。薄壁套夾具的外徑是63mm，所以選擇L/D<1.252）平衡、配重 為避免回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心力而引起振動(dòng)，對(duì)夾具應(yīng)進(jìn)行平衡。 平衡的方法有兩種：設(shè)置配重塊或加工減重孔。配重塊上應(yīng)開(kāi)有弧形槽或徑向孔，以便調(diào)整配重塊的位置。3）夾緊機(jī)構(gòu)應(yīng)安全耐用 夾緊點(diǎn)盡量選在工件直徑最大處，夾緊力足夠大，在切削過(guò)程中，不至于在離心力和慣性力作用下使夾緊松動(dòng)。夾具上盡可能避免帶有尖角或凸出部分。4）夾具與機(jī)床的聯(lián)接要準(zhǔn)確、可靠 避免安裝引起的加工誤差。2.2定位原件的設(shè)計(jì)要求加工回轉(zhuǎn)面時(shí)，定位元件的結(jié)構(gòu)和布置必須保證工件被加工面的軸線與車床主軸的旋轉(zhuǎn)軸線重合。2.3夾緊裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 夾緊機(jī)構(gòu)必須產(chǎn)生足夠的夾緊力，自鎖性能要良好。優(yōu)先采用螺旋夾緊機(jī)構(gòu)。對(duì)于角鐵式夾具，還應(yīng)注意施力方式，防止引起夾具變形。2.4夾具的平衡及結(jié)構(gòu)要求 對(duì)角鐵式、花盤式等結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的夾具：1）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用平衡裝置以減少由離心力產(chǎn)生的振動(dòng)及主軸軸承的磨損。2）夾具結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡(jiǎn)單緊湊，輕便且安全，懸伸長(zhǎng)度盡量小，使重心靠近主軸前支承。3）夾具的結(jié)構(gòu)還應(yīng)便于工件的安裝、測(cè)量和切屑的順利排出或清理。2.5夾具的技術(shù)要求 除一般的技術(shù)要求外，夾具要注意以下幾方面的技術(shù)要求：1）定位元件表面對(duì)夾具回轉(zhuǎn)軸線或找正圓環(huán)面的圓跳動(dòng)。2）定位元件表面對(duì)頂尖或錐柄軸線的圓跳動(dòng)。 3）定位元件表面對(duì)夾具安裝基面的垂直度或平行度。4）定位元件表面之間的垂直度或平行度。5）定位元件的軸線對(duì)夾具軸線的對(duì)稱度。在心軸和薄壁套工件的配合中選擇間隙配合3在精車薄壁套內(nèi)表面時(shí)，在加工完成的外圓表面上再加上一個(gè)套筒進(jìn)行夾緊，在這個(gè)套筒上是開(kāi)了縫的，方便在三爪卡盤上能有效夾緊需要加工的薄壁套。（和步驟1相似）