制動鼓數控加工難點及工藝方案

宋麗波，王珍峰

山東信昌環保科技有限公司 山東龍口 265700

1 序言

制動鼓是車輛的安全部件，其加工精度決定了制動效果和制動感受。由于精度差的制動鼓會導致制動距離變長、制動異響及抖動等性能缺陷，因此需要根據工件的精度要求設計工裝夾具，制定工藝方案，合理選擇刀具和切削用量來規避不利因素，從而保證在批量加工時滿足技術要求。

2 零件結構

圖1為制動鼓，材料為HT250，壁厚5.7～8mm。內孔處表面粗糙度值Ra=1.6μm，圓柱度為0.008mm，經查閱資料[1]，此圓柱公差等級為5級，在數控車床上批量加工有一定的難度。

圖1 制動鼓

3 加工難點分析

1）對于孔徑＞200mm的鑄鐵件來說，即使不是薄壁工件，0.008mm的圓柱度要求也不易滿足。大批量加工時，裝夾不當容易造成變形，裝夾的合理性直接影響最終的圓柱度；支承面的平面度、支承面與卡盤軸心的垂直度以及夾持部位的跳動亦影響車削時的穩定性和工件的加工精度。以往的夾具是在通用卡爪上車削出定位臺階，卡爪既是夾持又是支承件，往往因為某一卡爪受損、夾持力不均勻或與卡盤的間隙過大，對工件的掀推力使工件安裝面不能完全與卡爪定位面貼合，造成定位失效。以卡爪臺階為定位面時，因為臺階是間斷切削而成，抗刀嚴重，所以很難通過車削使3個定位臺階處于同一水平面，不利于保證工件的加工精度。

2）工件內孔一側端面有一處寬度＞6mm、深度＞11mm的槽，且槽距離制動鼓的工作面（φ203mm孔）很近，切削熱和切削力[2]會進一步增加圓柱度0.008mm的完成難度。

3）切削刀具的剛性以及產生的切削熱和切削力，也對0.008mm圓柱度產生不利影響。

4）機床的剛性以及精加工余量是否均勻，也對圓柱度有一定的影響。

綜上所述，在加工此工件時要使用數控立式車床，并對裝夾、切削熱及切削力造成的變形進行控制，以及加工過程穩定，方能滿足精度要求。

4 零件夾持方案

根據零件的結構和精度要求設計專用夾具，并如圖2所示裝夾。3個支塊與卡爪交替均布，互不干涉。支塊的頂端用螺紋聯接一個支承環，安裝后精車削支承環上端面作為工件的支承面，以減輕夾持變形，有效避免因定位支承不足而對加工精度產生影響。

圖2 專用夾具裝夾

5 刀具的選擇

刀具選擇主要考慮刀桿材質、主偏角、副偏角、刀片前角、刀尖半徑、倒棱寬度和倒棱角度等。

（1）刀桿的選擇 常見的刀桿一般有鋼質刀桿、硬質合金刀桿以及阻尼刀桿。此工件孔徑較大，所需的刀桿懸伸適中，鋼質刀桿足以應對，刀桿也不需具備內冷功能。

（2）刀片的選擇 刀片對加工影響較大的因素有材質、前角、刀尖半徑和倒棱等。

在灰鑄鐵件的加工中，PCBN刀片和涂層硬質合金刀片是常用刀片，PCBN刀片因其可承受高線速度、低親和性，故常用于灰鑄鐵產品的精加工，但是由于高線速度必然產生較高切削熱，繼而影響薄壁產品的最終質量，因此精加工該φ203mm孔使用涂層硬質合金刀片效果更好。

主偏角是切削過程中主切削刃與刀具行進方向之間的夾角，直接影響刀具的使用壽命以及對振動的敏感程度；副偏角是切削過程中副切削刃與已加工表面之間的夾角，過小的副偏角會破壞已加工表面的精度；前角是刀具切削部分的主要角度，合理的前角可以有效降低工件的切削變形；刀尖半徑以及刃口倒棱的大小決定了加工后的表面粗糙度以及對振動的敏感程度。

綜合以上對刀具的分析，結合被加工材質、工況等條件，最終選擇外徑50mm、主偏角95°的鋼質刀桿以及TNMG220408-KM刀片，此刀片為專門加工鑄鐵的正三角形刀片，可承受較高的線速度，與刀桿搭配后得到95°的主偏角、25°的副偏角以及5°的刃傾角。適中的主偏角和負偏角使刀具壽命和加工精度都達到很好的期望值；刀具前角為0°，正反兩面皆可使用，既增加了刀尖可用數量，降低成本，又保證了刀具在加工中的強度；0.8mm的刀尖半徑在有效降低切削力和切削熱對工件的傷害的同時，可兼顧強度。

6 工藝方案的優化

1）此工件的內孔一側端面有一處槽，如果先精車削內孔再車削槽，則切削力會破壞內孔精度；如果先車削槽，再加工內孔，則槽加工后內應力的釋放也會破壞內孔精加工后的精度。

2）工件端面與內孔結合部位需要1mm×45°倒角，精加工時，若機床先走斜線完成倒角，再走直線精車削內孔，則倒角時機床X軸、Z軸同步走斜線產生的微小反向間隙，會造成在內孔直徑處的定位有小的偏差，這種小的偏差會在加工內孔時得到恢復，進而影響內孔加工精度；如果先精車削內孔后倒角，則會因為倒角時刀具對工件的斜向擠壓作用，而影響倒角處內孔的精度，同樣不利于圓柱度的保持。

綜上所述，最終制定的工藝方案為：先半精車削內孔及其他表面，然后精加工槽，并且在半精車削內孔時做出倒角，最后精車削內孔時只加工φ203mm孔，不做倒角動作。

7 切削參數的選擇

1）選擇了適合的刀具并不能完全保證批量加工出合格的產品，還要有合理的切削參數才能使過程可控、穩定。根據此款涂層硬質合金刀片的參考線速度vc為235～410m/min，計算出加工φ203mm孔時的最高轉速不能超出643r/min，最終確定轉速為600r/min，即線速度為382m/min。

2）此工件內孔表面粗糙度值Ra不能＞1.6μm，圓柱度公差等級為5級，經查閱資料[3]，要想保證此形狀精度，表面粗糙度值Ra必須控制在1.3μm以內。根據表面粗糙度理論計算公式，可得進給量f=0.09mm/r，結合刀具負偏角會有一定的修光作用，最終確定進給量f=0.11mm/r。

3）根據刀片整體幾何參數分析，此工件內孔的精車削背吃刀量不能＜0.2mm，否則會造成振刀和刀具摩擦燒損，對工件精度和刀具壽命都不利，最終確定精車削時的背吃刀量ap=0.3mm。

8 結束語

通過加工難點分析和工藝改進，數控車削加工后，用圓柱度儀對制動鼓φ203mm孔的圓柱度進行測量。在連續測量的50件產品中，圓柱度全部在0.006mm以內（見圖3），證明機床、夾具設計、工藝路徑、刀具及切削參數的選擇是合理的，完全滿足圓柱度0.008mm的加工精度要求，且過程穩定，尺寸和形狀公差的一致性很好。

圖3 圓柱度檢測結果

專家點評

文章針對制動鼓車削中出現的圓柱度形狀超差問題進行難點分析，在工裝夾具、加工工藝、刀具及切削參數等方面采取改進措施，在數控立式車床上解決了因夾持變形、熱變形及加工振動等不利因素造成的影響等問題，經批量加工和內孔圓柱度檢測，證明保證了尺寸和形狀公差的一致性。

文章觀點明確，分析透徹，措施得力，結論嚴謹。數控車削受到很多不利因素的影響，滿足圓柱度0.008mm的內孔加工精度確實不容易，作者在薄壁件的夾具設計和工藝優化方面具有自己的創新點和見解。