支架零件孔加工變形難題的研究與解決

寇興華

(許昌煙草機械有限責任公司 生產技術部，河南 許昌 461000)

支架零件是許昌煙草機械有限責任公司主打產品當中的一種關鍵零件。如果精度超差，會直接影響到產品中重要部件的整體功能的實現。

該零件結構復雜，有孔、開檔、臺階面等諸多結構；精度要求高，多項公差要求≤0.01 mm；機械加工材料去除量大，剛性差，換算基準多，裝夾困難，很容易引起變形；真空淬火后，零件變形嚴重，且無法校正再加工，導致各裝配臺階面到基準面距離尺寸超差；真空淬火后，孔變形，公差孔φ20H8與φ8F7的軸線不垂直。上述原因導致多項公差超差，致使零件整批報廢。

基于該零件在機械加工過程中出現的加工變形難題，筆者對該零件進行了相關研究，利用機械加工原理，根據零件設計要求，對工藝規程進行了改進與優化，對裝夾方式進行了改進，有效解決了零件的精加工變形難題。

1 支架零件的結構分析與研究

1.1 支架零件的精度要求

支架零件屬于典型的薄板類零件(見圖1和圖2)，最薄處的厚度為2mm。

圖1 支架零件的三維圖

圖2 支架零件的二維圖

從圖2可以看出，支架的主要精度要求如下：1)零件總長為225 mm，有5處(16°、20°、30°、60°)斜面、6個臺階面、20.5×91開檔、長孔、半圓槽、方槽等諸多結構，有多處尺寸公差、幾何公差要求；2)φ20H8孔深185 mm，φ8F7孔深55 mm，屬于特深孔加工，兩者垂直度要求為0.05 mm；3)A基準孔(即φ20H8孔)與B基準面之間的距離為(15±0.01) mm；4)φ8F7孔與B基準面之間的距離為(15±0.01) mm，平行度要求0.03 mm；5)方槽與B基準面之間的平行度要求0.03 mm；6)零件整體要求粗糙度為Rz1.6 μm，有公差結構的粗糙度要求為Rz0.8 μm；7)淬火要求48～53 HRC。

1.2 支架零件的材料與毛坯的選用

支架的材料為40Cr13，屬于難加工材料[1]。具有硬、黏等特點，加工難度大。

根據本公司材料規格，該零件的毛坯選用圓棒料，備料周期短，但材料去除量大，零件剛性差，加工過程中很容易產生變形。

由上述分析可以看出，支架尺寸復雜，精度要求高，材料難以加工，加工過程極易變形，其加工難點較多、難度很大。

2 支架零件的加工方案

2.1 支架零件的工藝規程

支架零件的工藝規程在設計時，按照工序集中原則，采用傳統的工藝路線設計原則，把真空淬火安排為最后的工序內容。工藝規程如圖3所示。

圖3 支架的工藝規程圖

車間按照上述工藝規程，加工了一個批次的零件，出現真空淬火后零件變形嚴重，且無法校正再加工，導致多項公差超差，致使零件合格率為零。

2.2 支架加工刀具的選擇

該零件真空淬火的要求為48～53 HRC，受當時條件的限制，沒有加工淬硬零件的專用刀具，只能按照傳統的工藝設計思路，在真空淬火前把零件加工成型。

2.3 支架加工設備的選擇

受當時本公司生產設備的限制，選擇四軸加工中心來加工支架零件。四軸加工中心設備陳舊，功能嚴重下降，不能滿足零件的精度要求。

由上述分析與研究可以看出，采用工藝集中原則，按照傳統的工藝設計原則來加工支架零件，零件變形嚴重，公差無法保證，明顯不能保證零件的加工質量和加工精度。

3 改進支架零件的加工方法

3.1 零件變形原因分析

1)通過對上述工藝規程的分析發現，零件變形嚴重的一個原因是：加工階段即粗加工階段、半精加工階段、精加工階段[2]沒有劃分。

對于結構復雜、精度要求高且有熱處理要求的零件，不劃分加工階段，工序過于集中且加工的結構(斜面、開檔、孔、長孔、方槽等)比較多又比較集中，致使加工過程中產生的應力比較集中，且殘余應力難以釋放，導致零件的后續加工即精加工變形量大，從而影響了已獲得的加工精度，使尺寸公差很難保證。

2)材料去除率高，加工易變形。材料毛坯為棒料，去除率高達92.5%，導致加工過程中毛坯的剛性很差，粗加工時較大的夾緊力和切削力所引起的彈性變形和熱變形對零件的精加工影響很大，極易產生變形現象，從而破壞精加工的尺寸和精度。

3)真空淬火，零件變形。由于零件結構復雜，真空淬火后變形嚴重，且零件無法校正再加工，導致多項公差超差(幾何公差、尺寸公差)，零件報廢。

3.2 工藝規程的優化

結合本公司的實際加工能力和水平，經過多次試驗與摸索，采用劃分加工階段、增加熱處理等工藝方法，對原工藝規程進行優化，優化后的工藝規程如圖4所示。

圖4 優化的工藝規程圖

從圖4可以看出，與優化前工藝規程相比，優化后的加工工藝規程主要改進如下。

1)充分應用了“工藝分散”原則。經過多次試驗與摸索，發現φ20H8孔因太深(185 mm)，切割次數多，線切割加工耗時長，效率低，所以最后決定把φ20H8孔(孔深185 mm)仍安排在加工中心上鏜加工，同時因為目前刀具限制的原因，φ8F7孔(孔深55 mm)仍安排在線切割機床上加工，為保證加工精度，用專用工裝校正φ20H8孔做為線切割加工定位基準。

2)選用了五軸加工中心作為精加工的加工設備。五軸加工中心數控設備的工作臺可360°旋轉，可在+25°/-110°范圍內翻轉，且有主軸中心內冷(可加工深孔)。這樣φ20H8孔一次裝夾即可加工完成，避免了多次裝夾造成的累計誤差對加工精度的不利影響，從而有效地保證了零件的加工質量與加工精度。

3)增加了去應力處理工序。以充分消除零件加工過程中產生的內應力，減少零件的變形，且熱處理后切削性能尚可[3]。

3.3 工藝裝備的改進

3.3.1 加工設備

由于受當時設備條件的限制，選用原來的四軸加工中心設備來加工，該設備老化，精度下降，需要多次裝夾才能加工，造成誤差累積較多，不能滿足零件高精度的設計要求。現改為功能更強大的五軸加工中心來加工。

3.3.2 專用工裝的設計

圖5 線切割芯軸圖

圖6 線切割工裝使用示意圖

圖7 支架零件的裝夾加工方法

圖8 支架零件的數控加工程序

3.4 加工刀具的改進

通過與刀具供應商咨詢與溝通，結合本公司實際生產加工情況，最后選用適合加工淬火鋼的刀片(CBN刀片)(見圖9)，利用鏜刀刀桿裝夾刀片(見圖10)，將刀桿調整到合適的長度，選用合理切削參數(根據零件的淬火情況和刀具的使用參數表(見表1)，保留精加工余量(單邊)為0.10～0.15 mm)，即可用來鏜削真空淬火后的公差孔(即深孔)。

圖9 加工淬火鋼的刀片

圖10 加工淬火鋼的刀具

表1 CBN刀片(小徑鏜型/ST16，加工范

4 結語

本文從零件的結構、精度要求、加工方案等方面分析研究了零件報廢的原因，從工藝規程的設計與優化、專用夾具的設計、刀具的選擇等方面提出了科學可行的加工方案，解決了支架零件加工變形的難題，為真空淬火后同類或相似零件的加工提供了完整有效的加工方案和解決措施，為穩定和提升薄板異形類精密零件的加工質量做出了應有的貢獻。