精密螺栓加工變形工藝研究

吳雁玲， 董　春， 任玉紅， 符代橋， 楊振業(yè)， 李嘉璐

（中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所　機(jī)械制造廠， 山西　大同　037036）

引言

某型號柴油機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油泵由一層壓油泵和兩層回油泵串聯(lián)組成，主要零件包括前、中、后泵體，主、被動(dòng)軸和主、被動(dòng)齒輪，每層泵內(nèi)有兩個(gè)主動(dòng)齒輪和兩個(gè)被動(dòng)齒輪，組成人字形。主、被動(dòng)齒輪分別共用一根主動(dòng)軸和一根被動(dòng)軸，齒輪驅(qū)動(dòng)主動(dòng)軸，主動(dòng)軸通過平座鍵驅(qū)動(dòng)主動(dòng)齒輪，帶動(dòng)被動(dòng)齒輪在被動(dòng)軸上旋轉(zhuǎn)。前、中、后泵體通過四條長螺栓定位連接而成，分別為兩條緊固螺栓和兩條精密螺栓[1]。由于機(jī)油泵的裝配要求精密螺栓有精準(zhǔn)的定位作用，且在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，會(huì)隨發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，工作條件非常惡劣，如果加工存在問題，會(huì)在使用中斷裂，因此螺栓的加工非常關(guān)鍵。

圖1　機(jī)油泵

圖2　機(jī)油泵縱剖面

圖3　精密螺栓示意圖（單位：mm）

1　問題提出

某批機(jī)油泵精密螺栓共加工126件，由于彎曲變形嚴(yán)重，其中55件精車后磨外圓沒有磨量，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)外圓直線度大于0.3 mm，成品率只有56%，因此造成大量報(bào)廢。

2　變形原因分析

機(jī)油泵精密螺栓的加工工藝如下：下料—粗車成形—熱處理（調(diào)質(zhì)）—精車成形—磨外圓—滾制螺紋—銑扁—最后檢查—氧化處理。查找變形原因，發(fā)現(xiàn)其主要因素為車削時(shí)切削力的影響和加工過程中產(chǎn)生的切削熱導(dǎo)致螺栓彎曲變形，具體分析如下。

2.1　切削力導(dǎo)致變形

我們采用的是一夾一頂?shù)难b卡方式，在車削過程中，產(chǎn)生的切削力可分解為軸向切削力PX、徑向切削力PY及切向切削力PZ。其中主要的影響是徑向切削力PY。徑向切削力是垂直作用在通過細(xì)長軸軸線水平平面內(nèi)的，由于細(xì)長軸的剛性較差，徑向切削力將會(huì)把細(xì)長軸頂彎，使其在水平面內(nèi)發(fā)生彎曲變形，如下頁圖4所示。

2.2　切削熱產(chǎn)生的影響

我們在CA6140車床上加工精密螺栓，車削過程中工件會(huì)產(chǎn)生切削熱，引起工件熱變形伸長，精密螺栓的熱變形伸長量按下式計(jì)算：

式中：a為材料線膨脹系數(shù)，1/℃；L為工件的總長，mm；△t為工件升高的溫度，℃。通過實(shí)際測量得知加工時(shí)工件由原來的21℃上升到61℃，則△t=61℃-21℃=40℃;由機(jī)械手冊查得，40Cr的線膨脹系數(shù)a=11×10-61/℃，代入公式得△L=0.165 mm，由此可知，車削精密螺栓的變形伸長量為0.165 mm。

由于工件一端夾住，另一端用頂尖頂住，卡盤和尾架頂尖都是固定不動(dòng)的，因此兩者之間的距離也固定不變，零件軸向伸長量受到限制，導(dǎo)致細(xì)長軸受到軸向擠壓產(chǎn)生彎曲變形，一旦產(chǎn)生彎曲，車削就很難進(jìn)行，零件的工藝要求也難以保證。

由此可以看出，提高細(xì)長軸的加工精度問題，實(shí)質(zhì)上就是控制工藝系統(tǒng)的受力及受熱變形問題。

圖4　徑向切削力PY引起零件變形

3　工藝改進(jìn)措施

3.1　熱處理變形干預(yù)

熱處理變形是細(xì)長軸類零件變形的源頭，必須加以干預(yù)。在調(diào)質(zhì)入爐時(shí)，要求零件需順序擺放，不得搭放。在出爐冷卻時(shí)要垂直入冷卻油，減少變形。

3.2　熱處理后校直

熱處理后校直也是減小零件變形量的關(guān)鍵。經(jīng)過現(xiàn)場測量可以看到即使在熱處理操作過程中進(jìn)行了控制，其變形量仍非常大。通過工藝試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)如果零件的變形在0.8 mm以上，則粗車后，零件仍有0.5 mm以上的變形，很難在進(jìn)行精車工序修正。因此，我們采用了壓力機(jī)校直，為了去應(yīng)力，再進(jìn)行回火處理，此道工序?qū)⒘慵闹本€度控制在0.5 mm以內(nèi)。

3.3　對零件裝卡方式進(jìn)行改進(jìn)

通過現(xiàn)場工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如尾座頂尖頂?shù)倪^緊，零件變形就會(huì)很大，如果頂?shù)妮^松，則會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這時(shí)我們采用調(diào)節(jié)尾座頂尖的方法進(jìn)行改善，針對這個(gè)問題試驗(yàn)得到：粗車后在外圓單邊余量留2 mm的情況下精車，可以分兩次走刀，第一刀頂尖的頂力稍大，壓緊螺栓，在第二刀車削時(shí)手搖尾座手輪將頂尖稍稍松開，使頂力減小，減小精車時(shí)的彎曲變形。

3.4　合適刀具的選擇

機(jī)油泵螺栓在CK6140普通車床上進(jìn)行加工，材料為40Cr調(diào)質(zhì)，我們使用的機(jī)卡式外圓車刀為硬質(zhì)合金刀片，刀片型號為CNMG120404AH，因?yàn)檫@種刀片的形狀為菱形80°，不是很鋒利，在精車余量較小時(shí)很容易產(chǎn)生振動(dòng)，因此我們改進(jìn)的措施是粗車使用該種刀片，而精車時(shí)再增加一把T字頭精車刀，該刀片為菱形55°刀片，刀片后角是0°，有孔，雙面帶斷屑槽，切刃長度為12 mm，刀尖圓弧半徑為0.4 mm，加工時(shí)切削刃表面粗糙度控制在Ra0.4 μm以下，并經(jīng)常保持鋒利。現(xiàn)場加工時(shí)發(fā)現(xiàn)兩種刀片結(jié)合使用效果更好，有效地消除了因刀具因素產(chǎn)生振動(dòng)而導(dǎo)致精密螺栓直線度超差，更好地保證了外圓的加工精度和粗糙度的要求。

3.5　切削深度、切削速度、進(jìn)給量參數(shù)的合理選擇

理論上切削速度越快，越容易產(chǎn)生振動(dòng)，但切削速度慢，不僅影響加工效率，而且表面粗糙度較差。由于每種刀具的槽型都有一個(gè)比較大的切深范圍，粗加工時(shí)，切深盡量加大，保證最大的余量去除率；精加工時(shí)，切深盡量小，保證工件的尺寸精度和表面質(zhì)量，但切深不能超過槽型的切削范圍。如果切深過大，刀具無法承受切削力，導(dǎo)致刀具崩刃；如果切深過小，刀具只是在工件表面進(jìn)行刮削和擠壓，導(dǎo)致后刀面嚴(yán)重磨損，從而降低刀具壽命及表面質(zhì)量。進(jìn)給量與工件變形區(qū)中的變形量直接有關(guān)。當(dāng)進(jìn)給量較小時(shí)，變形量也較小。

粗車和半粗車細(xì)長軸切削用量的實(shí)際選擇原則是：盡可能減少徑向切削分力，減少切削熱。車削細(xì)長軸時(shí)，一般在長徑比較大時(shí)選用較小的切削用量，即多走刀，切深小，以減少振動(dòng)，增加剛性[3]。

切削深度：在工藝系統(tǒng)剛度確定的前提下，隨著切削深度的增大，車削時(shí)產(chǎn)生的切削力、切削熱隨之增大，引起細(xì)長軸的受力、受熱變形也增大。因此在車削細(xì)長軸時(shí)，應(yīng)盡量減小切削深度。

進(jìn)給量：進(jìn)給量增大會(huì)使切削厚度增加，切削力增大。但切削力不是按正比增大，因此細(xì)長軸的受力變形系數(shù)有所下降。如果從提高切削效率的角度來看，增大進(jìn)給量比增大切削深度有利。

切削速度：提高切削速度有利于降低切削力。隨著切削速度的增大，切削溫度提高，刀具與工件之間的摩擦力減小，細(xì)長軸的受力變形減小。但切削速度過高容易使細(xì)長軸在離心力作用下出現(xiàn)彎曲，破壞切削過程的平穩(wěn)性，所以切削速度應(yīng)控制在一定范圍。對長徑比較大的工件，切削速度要適當(dāng)降低。

通過多次工藝試驗(yàn)分析可知：粗車時(shí)，切削速度取55 m/min，進(jìn)給量取0.3 mm/r，切削深度取1.7 mm；精車時(shí)，切削速度取85 m/min，進(jìn)給量取0.1 mm/r，切削深度取0.6 mm。可將精密螺栓的直線度控制在0.025 mm以內(nèi)，滿足了工藝要求的0.03 mm。

通過以上五個(gè)方面的工藝改進(jìn)措施，在后續(xù)的零件生產(chǎn)中沒有出現(xiàn)直線度超差的現(xiàn)象，零件合格，說明工藝改進(jìn)是成功的。

4　結(jié)語

細(xì)長軸的加工一直是軸類零件加工的難點(diǎn)。通過零件變形原因的分析，我們從減小熱處理變形、熱處理后的校直、加工過程裝卡方式及刀具、切削量改進(jìn)五個(gè)方面進(jìn)行了工藝研究，并得到了合理的解決措施，保證了零件的加工質(zhì)量，提高了成品率。

[1]楊叔子.機(jī)械加工工藝手冊：第3版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]郭建華，張春明.CA6140機(jī)床車削細(xì)長軸刀具角度淺析[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012（22）：21-22.

[3]陳日曜.金屬切削原理：第2版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.