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复杂轴类零件以车代磨工艺

 阿云草屋 2021-06-13
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编者按


针对复杂轴类零件的加工难点,选用刚度好的斜床身数控车床,设计定位稳定性好的工装,采用合理的刀具和切削参数,选择合适的切削冷却方式,实现了对复杂轴类零件采用以车代磨工艺进行大批量加工,获得了良好的加工质量和经济效益。

1    序言


轴套类及盘类产品主要用车床加工。对于单一直轴的车削加工较为简单,精度比较容易保证;对于图1所示复杂轴类零件的大批量加工,若想达到几何公差及加工表面粗糙度要求,则难度较大。


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图1 复杂轴类零件

2    复杂轴类零件加工工艺分析


某复杂轴类零件尺寸及技术要求如图2所示。零件材质为40Cr钢,调质处理后的硬度为28~34HRC,大轴承位至端面中频淬火。大批量加工这类产品轴部的传统工艺为:铣端面打中心孔→粗车→半精车、车螺纹→中频淬火→磨大外圆、R弧和端面→磨小轴径。

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图2 某复杂轴类零件尺寸及技术要求

传统工艺存在的缺点:①工序流转较长,占用设备及人员较多,需要及时修磨外圆及棱边R8mm弧,加工比较繁琐,效率较低。②由于工件盘面及两耳为复杂的异形件,并且头部质量较重,所以采用双顶尖夹紧结构,在外圆磨削时,工件转动因离心力受力不均,圆柱度、跳动度及尺寸公差不易保证,不良品控制难度相当大。③由于工件头部尺寸较大,回转直径也相应增大,所以磨床的选择较为困难。

考虑到目前公司拥有先进的数控加工设备以及性能优越的切削刀具,认为轴部加工完全可以采用以车代磨工艺,从而促进产品质量升级,提高加工效率。

3    设备的选择


因工件要求大轴颈位中频淬火硬度为52~63HRC,车削淬硬钢与车削非淬硬钢相比,切削力将增加50%以上,切削所需功率增加2倍左右,所以硬车削对机床系统刚度、功率等提出了更高的要求。机床间隙和刚度决定了振刀、让刀等问题的发生率,也会影响加工工件的尺寸精度、几何公差和表面粗糙度。

公司有普通数控车床和斜身数控车床可供选用。由于斜床身数控车床具有45°高强度倾斜导轨,精度稳定可靠;具有高精度通孔式主轴结构,抗振性能好;配备多工位转塔刀架,可就近换刀,定位精度较高,且换刀时间较短。所以选用斜床身数控车床,采用以车代磨工艺进行加工,工艺流程为:打中心孔→粗车→中频淬火→以车代磨精车外圆。

4    加工工装的设计


虽然斜床身数控车床具有高刚度、高精度且抗振性能好,但是对于图2所示头部较大的工件,由于受离心力的影响,仍会造成设备出现振动较强的现象,影响工件轴部的径向圆跳动、轴向圆跳动及圆柱度等,从而影响产品精度及装配精度,甚至影响产品使用的安全性,因此,必须采用合理的夹具来保证工件运转的稳定性。

4.1 第一种工装的设计

图3为第一种工装,采用的是双顶、一靠一夹的定位夹紧方式,即设计制作专用夹具安装在主轴上,通过主轴顶尖与尾座顶尖顶紧工件中心孔定位,工件的一个侧面靠在一个螺钉上,另一个侧面由另一个螺钉夹紧。该工装的优点是结构简单、制作成本低。缺点是因用一个螺钉将工件的一个侧面压紧,使工件靠在另一个螺钉上,压紧力会使工件的中心错位,成为虚定位,影响工件旋转的稳定性,不能满足工件精加工的尺寸精度、几何公差要求,且手动夹紧费时费力,所以该工装通常只用在粗车工序上。

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图3 第一种工装
1—M16螺钉 2侧顶块 3底盘(联接数控车床) 4顶尖 5配重块 6尾座顶尖

4.2 第二种工装的设计

图4为第二种工装,用螺钉固定在机床主轴上。当踩动液压开关,液压缸推动拉杆,使拉杆带动导杆后移时,导板也随之后移,使摇臂向下摆动,从而使固定在定位座上的两卡爪随同倾斜,夹紧工件。当加工完毕后,踩动液压开关,液压缸推动拉杆,导杆随着移动,并带动导板前移,使得摇臂上摆带动左右卡爪向后倾斜,松开工件。

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图4 第二种工装
1平衡圈 2盘根 3本体 4前顶尖 5导杆 6导板 7摇臂 8浮动块 9弹簧 10顶销 11固定座 12联接螺母 13左卡爪 14工件 15尾座顶尖 16压块 17右卡爪

工装结构的特殊性使其在使用中稳定可靠,主要是因为:顶销在弹簧作用下把摇臂和卡爪定位在固定座上,使摇臂和卡爪在没有夹紧的状态下处于一个合理对称的位置。当工件处于夹紧的不对称状况(无论是工件不对称,亦或是装夹定位不对称)时,左(右)卡爪或某一卡爪先接触工件,使得顶销压缩弹簧在固定座定位孔后移,迫使卡爪及定位座带动摇臂及浮动块作轴向旋转,直至另一卡爪接触工件,最终两卡爪抱紧工件;当加工完毕松开工件时,弹簧压动定位块重新在固定座定位孔内定位,使得浮动块及摇臂复位。当摇臂转动时,将会带动浮动块进行一定量的转动或摆动,而不影响导板的工作。

工装安装使用前应进行动平衡试验。安装工件时,应使工件在左顶尖上先定位、后踩动液压开关顶紧尾座顶尖,再夹紧工件,最后起动机床开始加工。

该工装的优点是:两卡爪抱紧工件不会使工件中心错位产生虚定位,定位准确,工件夹紧力大,稳定可靠,无振颤现象。该工装适用于质量较大、头部异型的复杂工件。

5    刀具的选择及工艺设计


图2所示复杂轴类零件的粗车、半精车工序采用图3所示工装夹具,刀具采用WNMG080408N硬质合金涂层刀片,刃倾角为0°,刀尖半径0.8mm,转速500~600r/min,切削深度2~3mm,进给量0.15~0.30mm/r。将所加工区域大部去除,留有精车量0.35mm,过渡锥面区域加工至成品尺寸。

中频淬火后采用以车代磨工艺精车大小轴承位及轴头螺纹,采用图4所示工装夹具。淬火区包括大轴颈φ70-0.021 -0.051mm、R8mm弧及端面,采用CBN刀片CNGA120412,刃倾角0°,刀尖半径1.2mm,主轴转速650~800r/min,切削深度0.35mm。根据刀尖半径rε=1.2mm、表面粗糙度值Ra=0.8μm,由公式Ra=fn2/8rε,计算得出进给量fn≈0.0876mm,fn实际取值0.08mm/r。采用陶瓷刀片WNMG080404加工φ100mm圆柱面以及端面,主轴转速仍采用650~800r/min,切削深度0.35mm,进给量为0.07mm/r。对于小轴径φ52-0.017 -0.042mm,采用陶瓷刀片WNMG080404,进给量为0.05mm/r;也可以采用CBN刀片CNGA120412,进给量提高到0.08mm/r,生产效率提高了,但刀片费用略有增加。适当减少进给量会降低表面粗糙度值。

目前车削也常采用修光刃技术,优点在于实现了“加工时间减半,表面质量倍增”,省去磨削工序,实现了“以车代磨”的最佳选择。但是对于本例,由于工件头部较重、形状复杂,转速难以达到工艺要求,所以加工表面经常出现类似于擦伤的不光泽面,色泽差异较大,表面粗糙度质量也没有达到良好效果。这主要有两个原因,一是积屑瘤,二是刀尖与工件的接触长度比标准刀片长。因此本例没有采用修光刃技术。

6    冷却方式


对于断续切削工件来说,最好采用“干车削”,否则进刀和退刀时的热冲击会引起刀片破裂。至于连续切削,刀头在干车削过程中产生的高温足以韧化预切削区域,从而降低材料硬度,使之易于剪切。同时,干切削方式具有明显的成本优势。本例粗车虽然是连续切削,目的是去除加工余量,为精车做准备,但尺寸精度及几何公差并不作为主要技术要求,所以仍然采用干车削。但是在精车中,尺寸精度、几何公差以及表面粗糙度是必须保证的,如果采用干车削,加工过程中产生大量的切削热,工件温度高,当冷却后,尺寸差异较大,难以保证尺寸公差及圆柱度。因此,以车代磨精车工艺采用水基切削液,有助于延长刀具寿命和保证产品的技术要求。此外,高压切削液可以减少切屑堆积,从而降低因为切屑阻塞对切削液流至刀头的影响,也要求切削液有一定的防锈能力,防止环境介质及残存切削液中的油泥等腐蚀性物质对金属产生侵蚀。

7    效果分析


本案例采用以车代磨工艺,取得了很好的加工效果,检测结果见表1。

表1 检测结果
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8    结束语


复杂轴类零件以车代磨工艺实现批量加工,整个工艺系统必须保证工件加工运转过程中的定位稳定性,以及车削过程中切削工艺设计的合理性。实践证明,以车代磨工艺是先进的加工方式,不仅降低了废品率,减少了周转,而且完全可以替代车削+磨削工艺,提升产品质量。经检测,该工艺的所有技术指标都优于传统工艺。

本文发表于《金属加工(冷加工)》2021年第6期第32~35页,作者:山东日照市七星汽车部件有限公司 李刚,雷发林,徐英杰,原标题:《复杂轴类零件以车代磨工艺》。

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