機車剎車輪轂徑向孔零件的加工工藝方法研究

王俊青 李恒娟 孫大平

(①北京現代職業(yè)技術學院，北京 101300;②北京林業(yè)大學工學院，北京 100083)

數控機床具有轉速高、精度高、效率高、自動化程度高等特點，在孔的加工中比較常用［1］。現有一批機車剎車輪轂零件，材料為鑄鋼件，如圖1所示。該零件主要以徑向孔系加工為主，孔系加工之前，只需要車工將零件的φ350 mm的外圓和φ200 mm的內孔按照圖紙要求加工完成即可，零件的徑向孔系則由建榮精機Vcenter－85型加工中心完成。該零件的加工內容并不復雜，主要難點在于解決加工過程中徑向孔鉆偏，從而形成“喇叭孔”的問題。

1 工藝準備

由于現有工裝不能滿足加工要求，因此在孔系加工之前，對現有的工裝夾具進行了調整改進。

(1)調整分度頭。該工件依靠分度頭的外爪進行張緊定位，利用分度頭進行分度，實現四軸加工，因此調整分度頭在加工準備過程中至關重要。由圖1可以看出，工件的最大回轉半徑R為175 mm，而現有分度頭的回轉半徑R′為150 mm，工件的回轉半徑R大于分度頭中心到工作臺表面的距離R′，將會產生干涉，無法滿足加工需要。為了保證正常加工，在分度頭與工作臺之間加上墊塊，將分度頭抬高。墊塊的高度必須滿足以下條件:

①墊塊的高度要一致。倘若墊塊高度不一致，分度頭就會一邊高一邊低，這將導致分度頭的定位基準不在同一個平面上，從而造成實際加工孔的軸線與所要求的孔的軸線不重合。

②墊塊的高度H必須滿足:H＞R－R′=175－150=25 mm。

即:墊塊的高度應大于25 mm才能夠滿足加工要求。現有4塊經磨床精磨出來的墊塊，尺寸為300－0.02mm，滿足使用要求。

(2)分度頭的定位。加工前，將分度頭安裝在工作臺的T形槽內。由于分度頭要求抬高300－0.02mm，因此原有定位鍵的高度滿足不了要求。通過測量分度頭底部定位槽和工作臺T形槽的深度，選擇高度為60 mm的定位鍵可以滿足安裝要求。為了保證分度頭安裝的穩(wěn)定性，定位鍵的寬度與工作臺T形槽寬度一致，為18 mm。分度頭安裝效果如圖2所示。

(3)分度頭定位精度檢測。上述工作完成后，用壓板將分度頭固定在工作臺上，再用百分表檢測分度盤端面圓跳動，保證誤差在0.02 mm以內。加工時，要保證工件端面與分度頭夾爪端面緊密貼合在一起，防止工件在加工過程中產生軸向躥動，從而造成孔的圓柱度超差。

2 原工藝方案

(1)第一步:打φ3 mm的中心孔。將工件端面緊貼分度頭卡爪的第二臺階處，夾緊定位，利用百分表找正工件，開始打孔。打φ3 mm的中心孔，有利于鉆孔時的導向，防止孔的偏斜。

(2)第二步:打 φ8 mm的預制孔。為了避免由于切削力過大、工件偏移，從而形成喇叭孔的現象。在鉆孔前，先打 φ8 mm的預制孔，減小鉆頭橫刃產生的軸向力。

(3)第三步:用 φ29.7 mm的鉆頭擴孔。如圖3所示。由于切削量大，工件變形也大，加上工件自由度沒有被完全限制，在徑向切削力F的作用下，分度頭將產生振動。工件連同分度頭主軸筒將繞著機床Z軸發(fā)生偏轉，產生彈性變形，導致工件加工后產生斜孔，即“喇叭孔”。因此這是在工件整個加工過程中，加工孔最容易出現“喇叭孔”的一道工序，也是控制和消除“喇叭孔”最關鍵的一步。

(4)第四步:用 φ30 mm的鉸刀鉸孔。由于第三步擴孔結束后，所加工的孔是斜孔。因此，鉸孔后，孔兩端的直徑大于孔中間的直徑，形成“喇叭孔”，如圖4所示。經測量，孔兩端直徑為φ30+0.04 mm，中間直徑為φ30+0.02 mm，“喇叭孔”的出現，將直接影響后續(xù)的裝配。

3 孔加工有限元分析

機械加工過程中產生力變形的現實問題，已使國內外科研人員充分重視對機加工過程中工件變形的有限元分析［2－3］。在鉸孔過程中，由于切削余量小，可能會發(fā)生工件安裝變形大于加工余量的情形，因此選擇合理的裝夾方式非常關鍵。

3.1 建立有限元模型

輪轂材料為Q235，彈性模量為202 GPa，泊松比為0.3。利用Solid Edge軟件建立輪轂安裝在分度頭上的幾何模型，如圖3所示，然后導入ANSYS中。由于發(fā)生變形的主要是輪轂，因此對于分度頭的分析盡量簡化。圖5為劃分網格后的有限元模型。

3.2 施加約束和載荷

加工徑向孔的過程中，輪轂主要承受徑向切削力F和輪轂本身的重量，其受力結構相當于外伸梁結構，力學模型如圖6所示，圖中F表示輪轂圓周承受的徑向切削力，wc為最大撓度，θc為端面轉角。在對有限元模型進行約束加載時，以分度頭底面作為約束面，輪轂圓周作為加載面。

3.3 變形分析結果

通過有限元軟件ANSYS分析計算，可以得到輪轂徑向孔的變形量。因為擴孔時的切削力最大，工件變形大，是形成“喇叭孔”的關鍵因素，因此施加載荷只考慮擴孔時的切削力F，切削力F的經驗公式為:

式中:CFf為系數，取決于工件材料的特性、鉆頭幾何形狀和其他加工條件;D為鉆頭直徑，mm;f為進給量，mm/r;yFf為進給量指數;K為總修正系數。通過查表計算出，切削力F為4 295 N，加上輪轂本身重量為147 N，即施加4 442 N載荷后，輪轂應力變化如圖7所示，工件變形如圖8所示。

實際上，由于輪轂端面發(fā)生傾斜，徑向孔軸線與Z軸方向傾斜一定角度，造成喇叭孔出現。由圖8可以看出，輪轂端面傾斜造成孔的變形量從外往內逐步增大，最大變形量達0.04 mm，與實際測量結果相近。

4 解決加工變形的工藝措施

孔與軸的配合特性決定了“喇叭孔”的失效后果，該零件孔的配合均為間隙配合，其失效現象為:一是“喇叭孔”在與軸的配合使用過程中，由于軸在孔中上下運動，可看做孔徑一直在上下變化，不斷變化的孔徑直接導致運動元件過早出現疲勞損壞;二是容易造成運動件的磨損程度不均勻［4］。因為與軸配合的孔是“喇叭孔”，這就造成軸的直徑在“喇叭孔”小徑處的配合出現提前磨損，而大徑處軸的直徑沒有明顯磨損，導致整個軸的直徑大小不均衡，最終造成運動件的擺動幅度上升，從而影響配合時的緊密性，最終導致零部件失效。因此，采取以下工藝措施:

(1)將“鉸孔”改成“鏜孔”。為了保證精度，提高生產效率，避免“喇叭孔”的出現，將原工藝的第四步“鉸孔”改為“鏜孔”。改用 φ25～35 mm的微調精鏜刀，精度可達0.01 mm。此外，鉸孔不能修復孔的軸線偏斜問題，而鏜孔能修復。這樣既保證了孔的尺寸精度，又保證了孔的形位精度。

(2)對自由度的限制。根據加工中出現喇叭孔的現象，經過有限元分析得出，由于對工件自由度(繞Z軸轉動)限制不夠也是導致出現“喇叭孔”的一個重要原因。因此，改用一夾一頂的方式進行裝夾。為了方便使用頂尖，現做了一個圓盤，在中間打了一個頂尖孔，如圖9所示。目的就是為了限制工件繞Z軸的轉動，增加分度頭主軸筒的抗彎能力，從而避免加工過程中形成“喇叭孔”。工件總體裝夾效果如圖10所示。

根據以上分析，編制如下加工程序:

通過采取上述工藝措施，不但提高了工件的加工精度，避免出現“喇叭孔”現象，而且提高了加工效率，效果比較理想。

5 結語

通過本次對機車剎車輪轂徑向孔的加工和有限元分析表明，設計可靠的工裝，制定合理的加工工藝，不但能保證工件的加工精度，降低加工難度，而且能夠提高生產效率，縮短工期。這次經歷也說明我院數控實訓基地具備一定的外協(xié)產品配套加工能力，今后即使遇到加工難度大，精度要求高的零件，只要敢于實踐，在加工技術上就一定會有所突破，操作技能也將得到大大提高。

［1］徐冉丹，林朝平.基于數控機床孔加工的刀具應用及工藝分析［J］.組合機床與自動化加工技術，2003(8):41.

［2］Wang Y，Chen X，Liuq，et al.Optimization of machining fixture layout under multi－ constraints［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2006，46(12/13):1291 －1300.

［3］Chen Weifang，Ni Lijun，Xue Jianbin.Deformation control through fixture layout design and clamping force optimization［J］.The Internation-al Journal of Advanced Manufacturing Technology，2008，38(9/10):860－867.

［4］王正，謝里陽，李兵.考慮共因失效的機械零部件可靠性模型［J］.機械設計，2007(1).