空心軸類零件深孔加工中的刀具振動(dòng)分析

周巍

上海汽車變速器有限公司 上海 201815

1 序言

在變速器新產(chǎn)品齒軸類零件試制過(guò)程中，空心軸類零件的深孔加工往往成為整個(gè)零件交樣過(guò)程中的瓶頸工序，影響到整機(jī)裝配的節(jié)點(diǎn)。孔深與孔徑之比＞5的孔加工即為深孔加工，而深孔加工中最突出的問(wèn)題就是加工過(guò)程中的振刀。振刀在零件加工中是一種十分有害的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響零件的表面質(zhì)量及使用性能；刀具與工件間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，整個(gè)工藝系統(tǒng)將持續(xù)承受交變載荷的作用，使刀具極易磨損甚至崩刃，正常加工過(guò)程往往會(huì)通過(guò)減少切削用量來(lái)減少刀具振動(dòng)，但是加工效率也會(huì)相應(yīng)降低。因此，分析空心軸類零件的深孔加工過(guò)程中的刀具振動(dòng)問(wèn)題并提出有效減振、消振的方案很有 必要。

2 刀具振動(dòng)產(chǎn)生的原因

在進(jìn)行DCT輸入外軸試制過(guò)程中，精車工序鏜深孔，由于刀具振動(dòng)，內(nèi)孔孔徑尺寸和深孔軸向尺寸不穩(wěn)定，尺寸調(diào)整量與實(shí)際變動(dòng)量不同，導(dǎo)致零件不能滿足工藝要求。

分析車刀桿加工內(nèi)孔過(guò)程，主要原因如下。

1）深孔加工處于半封閉環(huán)境，不能直接觀察刀具的切削過(guò)程和走刀情況，同時(shí)在相對(duì)封閉的狀態(tài)加工，不利于排屑及散熱，可能導(dǎo)致被加工零件受熱變形和堵屑。

2）刀具切削工件產(chǎn)生的切削力會(huì)使刀桿產(chǎn)生彈性變形，而切削產(chǎn)生的切屑斷掉之后該彈性變形又會(huì)恢復(fù)，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)形成有規(guī)律變化的鏜削力F。F呈正弦波動(dòng)，F(xiàn)的存在導(dǎo)致車削加工中的刀片出現(xiàn)顫動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)鏜削力F的變化頻率在刀具的固有彈性變形頻率范圍內(nèi)時(shí)，產(chǎn)生共振，刀桿的彈性變形加劇，顫動(dòng)現(xiàn)象變?yōu)檎駝?dòng)。

3 刀具振動(dòng)對(duì)零件質(zhì)量的影響

零件的加工精度主要由機(jī)床、夾具、刀具組成工藝系統(tǒng)在加工過(guò)程中的各種誤差來(lái)決定。可分為兩方面：一是在加工開(kāi)始之前機(jī)床、刀具、夾具本身的制造誤差或者安裝誤差；二是在調(diào)試加工和刀具切削過(guò)程中因切削力、切削熱或者堵屑造成的加工表面劃傷而產(chǎn)生的誤差。

在輸入外軸深孔加工工序，由于刀具振動(dòng)產(chǎn)生的誤差對(duì)零件質(zhì)量的影響主要有以下兩個(gè)方面。

（1）表面粗糙度值大 精車深孔加工過(guò)程中由于易產(chǎn)生堵屑及過(guò)熱，未及時(shí)排出的切屑刮傷零件表面，如圖1所示。同時(shí)，刀具振動(dòng)使工件和刀具之間產(chǎn)生讓刀現(xiàn)象，形成波紋甚至挖刀痕，如圖2所示。零件表面粗糙度不能滿足精度要求，并且振刀情況不可控，有時(shí)候會(huì)造成無(wú)法返工的超差或報(bào)廢。

圖1 內(nèi)孔刮傷

圖2 波紋及挖刀痕

（2）尺寸難以保證 零件的加工工藝尺寸要求如圖3所示。振刀情況下刀具每次切削量不均勻，內(nèi)孔可能出現(xiàn)錐度，且調(diào)整返工走刀過(guò)程中很難消除。圖3中φ28.06mm油封孔的輪廓報(bào)告如圖4所示，可以看出油封孔兩段孔徑是由同一刀具加工，但由于刀具振動(dòng)導(dǎo)致孔徑大小不同。在輸入外軸精車及熱后硬車油封孔的試制過(guò)程中出現(xiàn)反復(fù)調(diào)整，但工件的內(nèi)孔尺寸及同軸度等尺寸無(wú)法保證的情況。超差零件測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖3 零件工藝尺寸要求

圖4 油封孔輪廓報(bào)告

表1 輸入外軸調(diào)試過(guò)程測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4 消除深孔加工刀具振動(dòng)的措施

4.1 選擇合理刀片、刀桿降低切削力

深孔加工中的刀桿采用整體硬質(zhì)合金或者減振刀桿，切削刀片采用90°主偏角κr的刀具可有效減振。深孔加工由于尺寸限制，刀桿的長(zhǎng)徑比＞10，需采用具有減振功能的刀桿，刀具的主偏角κr與切削力的關(guān)系曲線如圖5a所示。由于增大主偏角時(shí)徑向切削力Fp減小，軸向切削力Ff增大，故在不影響刀具強(qiáng)度的情況下，深孔加工或者細(xì)長(zhǎng)軸加工應(yīng)盡量增大車刀主偏角。

圖5 主偏角κr與切削力的關(guān)系

1）減小刀尖圓弧半徑rs。在相同背吃刀量的情況下，由于刀尖圓弧半徑越大，切削力越大，刀桿產(chǎn)生振動(dòng)的可能性越高，故減小刀尖圓弧半徑可有效降低徑向切削力。

2）選擇刃口更鋒利的刀片。機(jī)加工刀片按是否涂層可分為涂層和非涂層刀片，由于刀具涂層時(shí)為保證刃口涂層的黏結(jié)強(qiáng)度，需進(jìn)行刃口的鈍化處理，所以非涂層刀片往往比涂層刀片鋒利；涂層刀片中，由于化學(xué)涂層材料厚度原因，故PCD（物理涂層）也比VCD（化學(xué)涂層）刃口鋒利。

4.2 調(diào)整切削參數(shù)減小刀具振動(dòng)

1）選擇合適的轉(zhuǎn)速n。利用數(shù)控車床進(jìn)行深孔加工時(shí)，工件的轉(zhuǎn)速直接影響到零件的表面質(zhì)量、刀具壽面及加工效率。轉(zhuǎn)速過(guò)低易造成刀片刃口粘刃，影響表面粗糙度，不滿足工藝要求；而轉(zhuǎn)速高于一定值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致切削噪聲大、切削熱量大、溫度高且刀具易磨損等后果。因此調(diào)試過(guò)程中轉(zhuǎn)速需在合理的范圍內(nèi)，以保證零件質(zhì)量，同時(shí)降低刀具消耗，提高加工效率。

2）背吃刀量ap和進(jìn)給量f的選擇。深孔加工中進(jìn)給量影響到切屑的形狀和長(zhǎng)度，進(jìn)給量過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)使切屑斷屑不暢，造成堵屑；背吃刀量增大時(shí)，切削面積增大導(dǎo)致切削力呈正比增大。由于兩者都直接影響零件表面質(zhì)量以及加工效率，所以選擇合適進(jìn)給量十分重要。在空心軸的深孔加工中主要根據(jù)零件材料、內(nèi)孔大小并結(jié)合機(jī)床調(diào)整過(guò)程中零件表面質(zhì)量和排屑情況，來(lái)綜合確定ap和f的大小。

4.3 根據(jù)零件尺寸選擇合理的工裝夾具

（1）夾具的選擇 在空心軸數(shù)控加工中，應(yīng)選擇加長(zhǎng)卡爪，使零件尾端中空，便于切屑排出，以避免堵屑、過(guò)熱等情況。

（2）裝夾方案的優(yōu)化 裝夾定位面及基準(zhǔn)的選擇是影響零件深孔加工的重要因素，應(yīng)根據(jù)零件結(jié)構(gòu)選擇合適的夾緊位置以及基準(zhǔn)面，這是后續(xù)調(diào)試加工滿足工藝尺寸的基礎(chǔ)。在保證兩定位基準(zhǔn)精度情況下，合理采用過(guò)定位的方式可增加工件在加工中的剛性，減小工件與刀具之間的相對(duì)位移。

在輸入外軸精車工序鏜深孔調(diào)整過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)工藝中夾持擋長(zhǎng)度過(guò)短，且位置與最深的油封擋距離較遠(yuǎn)（見(jiàn)圖6），故鏜油封擋時(shí)，切削力可能導(dǎo)致零件抖動(dòng)、讓刀等情況，無(wú)法保證油封擋尺寸，也無(wú)法進(jìn)行下一步的調(diào)試。通過(guò)對(duì)零件結(jié)構(gòu)與卡爪裝夾方案進(jìn)行分析，由3點(diǎn)夾緊改為3＋3的主副夾緊，其中夾持擋為主夾緊位置，旁邊一擋外徑采用卡爪限位（見(jiàn)圖7），減小鏜深孔過(guò)程中的零件晃動(dòng)，可有效提高內(nèi)孔尺寸精度與表面質(zhì)量。

圖6 原工藝定位夾緊方式

圖7 改進(jìn)后的定位夾緊方式

經(jīng)過(guò)對(duì)刀具、夾具、切削參數(shù)的綜合調(diào)整，查閱相關(guān)刀具供應(yīng)商的刀具資料，選擇主偏角為90°的防振硬質(zhì)合金刀桿，刀尖圓弧rs為0.4mm的DCMT刀片，同時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)整為1300r/min，進(jìn)給量f＝0.15mm/r，并采用改進(jìn)后增加定位的卡爪，在深孔加工前增加一道預(yù)車削工序，以保證2個(gè)夾緊擋的同軸度。

最終精車零件熱前油封擋表面質(zhì)量，如圖8所示；熱后硬車油封孔表面無(wú)明顯振紋，如圖9所示。相應(yīng)檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，內(nèi)孔孔徑、同軸度、表面粗糙度等均在工藝要求范圍內(nèi)，從而驗(yàn)證了采取該措施后消除深孔加工中刀具振動(dòng)的有效性。

表2 合格零件測(cè)量數(shù)據(jù)

圖8 熱前油封擋成品

圖9 熱后油封擋成品

5 結(jié)束語(yǔ)

基于雙離合變速器中輸入外軸試制階段制深孔加工中刀具振動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)空心軸深孔加工進(jìn)行了工藝及加工方案優(yōu)化的分析。綜合考慮刀桿材料、刀具參數(shù)、轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量、夾具和裝夾方案對(duì)零件質(zhì)量、加工效率和刀具磨損的影響，從刀具、切削參數(shù)及工裝夾具三方面進(jìn)行合理選擇及優(yōu)化，有效地減小了切削力及工件和刀具之間的相對(duì)位移，從而消除了刀具振動(dòng)，提高了零件的加工精度，提升了生產(chǎn)效率。