一種異形拉耳的精密車削工藝

王德廷，郭東亮，趙怡，李昂，姚亞超，王元軍

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津300462)

0 引 言

隨著航天制造技術(shù)的發(fā)展，航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，結(jié)構(gòu)精度要求也越來越高。為滿足箭體日益復(fù)雜的裝配需求，異形產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計日益增多，異形結(jié)構(gòu)的精密加工是航天產(chǎn)品機械加工領(lǐng)域的難點之一。本文通過研究異形拉耳結(jié)構(gòu)的精密加工工藝，設(shè)計了一套集定位、裝夾為一體的車床組合夾具，解決了異形拉耳高精度內(nèi)球面加工的難題，為同類型工件的裝夾、加工提供參考。

1 加工現(xiàn)狀

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

異形拉耳結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。Sφ90內(nèi)球面為裝配接觸面，裝配精度較高，內(nèi)球面直徑尺寸允許變形量為0.05 mm，表面粗糙度要求為Ra1.6 μm。

圖1 異形拉耳產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 產(chǎn)品加工難點

1)裝夾困難。鑒于內(nèi)球面較高的尺寸精度及表面粗糙度要求，內(nèi)球面加工適宜采用車削加工。但是拉耳結(jié)構(gòu)為異形結(jié)構(gòu)，內(nèi)球面不在產(chǎn)品回轉(zhuǎn)中心，無有效裝夾點，產(chǎn)品車加工裝夾找正困難。2)需選擇合適的刀具。拉耳淬火時效后，硬度達(dá)到38～43 HRC，特別由于金屬Ni的添加，切削性能急劇下降，精加工過程中，需選擇合適的刀具，避免刀具損耗嚴(yán)重。3)產(chǎn)品加工變形大。異形拉耳結(jié)構(gòu)原材料為30CrMnSiNi2A鋼鍛件，材料去除率高達(dá)85%。鋼鍛件毛坯鍛造過程經(jīng)過多次錘鍛、正火、不完全退火等工序，原材料殘余應(yīng)力較大。

2 加工方案

2.1 夾具設(shè)計

對于異形拉耳而言，車削加工時，由于產(chǎn)品內(nèi)球面軸線與整體回轉(zhuǎn)軸線不重合，無有效裝夾點，不能采用普通三爪卡盤的裝夾形式，須設(shè)計適宜的裝夾車削夾具，如圖2所示。

1)回轉(zhuǎn)中心的確定。為便于回轉(zhuǎn)中心的確定，車削夾具設(shè)計一圓形底板，車削時的回轉(zhuǎn)中心即為底板圓心位置，其余壓緊機構(gòu)及配重均基于底板回轉(zhuǎn)中心設(shè)計，可最大限度減小由于分布不均帶來的過大的離心力。

2)壓緊機構(gòu)。為實現(xiàn)產(chǎn)品的可靠定位，保證產(chǎn)品在加工過程中不發(fā)生移位，需設(shè)計合理的壓緊機構(gòu)。在本例中，設(shè)計上、下兩支座，利用其仿形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)產(chǎn)品的橫向定位，其中下支座利用螺紋連接的形式固定于底板上，上、下支座間利用螺釘實現(xiàn)兩者緊固。為避免螺釘突出帶來的刀具干涉問題，所有連接孔均設(shè)計為沉頭孔的形式。

3)裝夾找正機構(gòu)。為實現(xiàn)產(chǎn)品在車削夾具上快速找正，夾具底板中心處制有φ78.6+0.03+0.02高精度孔，同時配有直徑為φ78.6的高精度找正銷軸，利用銷軸、底板中心孔、產(chǎn)品球面找正孔的精密間隙配合實現(xiàn)產(chǎn)品的快速找正定位。為限制產(chǎn)品加工時的轉(zhuǎn)動自由度，在底板上設(shè)計兩處頂緊螺釘，利用兩處頂緊螺釘與產(chǎn)品表面配合形成的定位面實現(xiàn)產(chǎn)品加工過程中的周向定位。

4)配重的設(shè)計。夾具高速旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生很大的離心力，影響夾具的裝夾穩(wěn)定性，同時對機床主軸造成不可忽視的損傷，因此車削夾具需設(shè)計配重以抵消離心力的影響。在車床夾具底板上產(chǎn)品對側(cè)位置配制不同距離連接孔，配重塊通過螺紋連接的形式固定于底板之上，并通過定位螺釘?shù)墓潭ㄎ恢玫牟煌瑏韺崿F(xiàn)配重的位置協(xié)調(diào)，以滿足不平衡量的調(diào)節(jié)。

2.2 裝夾方案

車削夾具由底板、導(dǎo)向銷軸、配重塊、下支撐座、上支撐座、頂緊螺釘組成，如圖2所示。產(chǎn)品的實際裝夾方案為：1）利用公式（離心力=F1+F2=mω2r1+mω2r2=0）計算出配重塊與支撐座之間的相對位置關(guān)系；2）下支撐座與底板間利用4個沉頭螺釘固定，配重塊利用螺釘實現(xiàn)與底板間的固定；3）將導(dǎo)向銷軸穿過底板中心孔，實現(xiàn)滑配；4）將拉耳球面定位基準(zhǔn)孔穿過導(dǎo)向銷軸并落于下支撐座上；5）上支撐座與下支撐座利用4個螺釘實現(xiàn)連接，并將拉耳固定在上、下支撐座中間，防止產(chǎn)品車削過程中的橫向移動；6）利用兩個螺釘從底板穿過，螺釘端頭頂住拉耳產(chǎn)品表面，防止產(chǎn)品車削過程中的轉(zhuǎn)動；7）抽掉導(dǎo)向銷軸，并將裝配后的夾具與產(chǎn)品整體利用車床三爪配合壓板的形式固定并找正，最終實現(xiàn)產(chǎn)品的有效裝夾。

圖2 車床夾具裝夾原理

2.3 工藝方案設(shè)計

為提高拉耳加工精度，制定工藝流程為“粗加工→淬火→半精加工→去應(yīng)力退火→鏜車球面基準(zhǔn)柱面孔→精加工→精車球面”。具體為：1）粗加工時，利用車、銑方式去除大部分余量，單邊留5 mm半精加工余量。2）粗加工后進行淬火，淬火硬度為38～43 HRC。3）半精加工進一步去除加工余量，單邊留1 mm精加工余量。4）去應(yīng)力退火，充分釋放產(chǎn)品內(nèi)部應(yīng)力。為了去除切削加工的內(nèi)應(yīng)力而進行的退火稱為去應(yīng)力退火[1]。去應(yīng)力退火是將半成品工件加熱到一定溫度，保溫后空冷降溫，從而去除工件中大部分殘余應(yīng)力，減小精加工后由于殘余應(yīng)力釋放造成的加工變形程度，為后續(xù)加工提供較好的應(yīng)力狀態(tài)[2]。5）鏜孔φ78.6，用作精車球面時找正基準(zhǔn)面[3]。6）利用自制車床夾具實現(xiàn)拉耳精車球面時的裝夾定位，為保證球面加工精度，嚴(yán)格控制導(dǎo)向銷軸與基準(zhǔn)柱面孔間的配合間隙，間隙量不大于0.02 mm。精車內(nèi)球面時，分多次走刀，每刀進刀量不大于0.2 mm，最后兩次進刀量設(shè)為0.1 mm。通過拉耳定位基準(zhǔn)孔與自制工裝導(dǎo)向銷軸的精密配合，實現(xiàn)了產(chǎn)品的可靠裝夾及精確找正，效果顯著。

2.4 刀具選擇

在異形拉耳加工過程中，由于Ni含量較多，零件硬度較大，切削部位受到的切削力和切削熱沖擊都很大。因此，刀具除了要保證切削部位選用硬質(zhì)合金材質(zhì)材料外，切削部分的結(jié)構(gòu)也很重要。刀具在刃口部位要避免尖角，因為尖角部位的強度很低，在加工過程中頻繁與堅硬的工件產(chǎn)生碰撞，容易產(chǎn)生崩刃而使刀具失效。

鑒于此，在傳統(tǒng)車刀基礎(chǔ)上進行改進：刀具前角選為15°，較小的刀具前角避免了刃口部位的薄弱尖角區(qū)域，且接觸長度較之普通刀具大幅增加，強化散熱效果；綜合考慮刀具刃口強度及刀具耐磨度，刀具后角選為8°；刃傾角的大小和方向決定了刀尖強度和切屑的流出方向，為增強刀尖強度而又不使背向分力增加過大，刃傾角應(yīng)該取小一些，通常取－10°～－20°，連續(xù)切削時取較大值，刀具刃傾角選為-15°[4]。通過采用該結(jié)構(gòu)刀具加工產(chǎn)品，能夠明顯提高切削過程中的進給速率，進而大幅提高切削效率。

2.5 加工效果

通過專用車床夾具設(shè)計、加工工藝方案設(shè)計、刀具選擇等，實現(xiàn)了異形拉耳的精密加工。加工后的成品，滿足Sφ90及Ra1.6 μm的精度要求。專用車床夾具的使用實現(xiàn)了拉耳可靠裝夾及快速精確找正，減少了操作過程中的誤差積累，提高了產(chǎn)品精度。半精加工去應(yīng)力退火方案減小了精加工時的應(yīng)力變形。選擇合適的切削刀具減小了刀具磨損，提高了產(chǎn)品加工效率。

圖3 產(chǎn)品實物圖

3 結(jié) 語

通過設(shè)計專用車床夾具實現(xiàn)了異形拉耳的可靠裝夾，同時優(yōu)化加工工藝方案，合理選擇刀具，解決了異形拉耳的變形問題，保證了產(chǎn)品的形位公差，取得了預(yù)期的加工效果，可為同類型產(chǎn)品加工提供參考。