復(fù)雜薄壁套類零件一次成形操作法的研究與實(shí)踐*

趙 晶 朱小明

(內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014035)

為滿足特種車輛輕型化發(fā)展需求，其關(guān)鍵零部件大多采用鋁合金材料，由于鋁合金的低強(qiáng)度和低硬度特性，其內(nèi)螺紋壽命難以滿足設(shè)計需求。鋼制螺紋套等復(fù)雜薄壁套類零件加工內(nèi)容主要包括外圓、外槽、外螺紋、內(nèi)孔、內(nèi)螺紋、外齒、切斷、鉆孔等，因此所需刀具數(shù)量較多，由于數(shù)控車床刀位有限，需要多工序加工完成，從而極大地影響了產(chǎn)品的加工效率，同時由于鋼制螺紋套基數(shù)大、種類多，其生產(chǎn)效率成為制約鋁合金產(chǎn)品制造周期的關(guān)鍵因素之一，通過采用復(fù)雜薄壁套類零件一次成形操作法，解決了鋼制螺紋套多工序加工效率低的問題，為整車的生產(chǎn)效率提供了有效保障。

1 項目概況

鋼制螺紋套類零件(見圖1)作為某特種車輛綜合傳動箱體、橋傳動箱體等鋁合金箱體，以及鋁合金軸承座等零件的螺紋緊固元件，種類多、基數(shù)大，生產(chǎn)周期長，極易造成生產(chǎn)窄口。

圖1 鋼制螺紋套類零件圖

鋼制螺紋套等復(fù)雜薄壁套類零件加工內(nèi)容主要包括外圓、外槽、外螺紋、內(nèi)孔、內(nèi)螺紋、外齒、切斷、鉆孔等，因此所需刀具數(shù)量較多，加工成型共需七種刀具，分別為外圓車刀、外螺紋車刀、滾齒刀、鉆頭、鏜孔刀、內(nèi)螺紋車刀及切斷刀，而實(shí)際用于加工的數(shù)控車床為六工位臥式轉(zhuǎn)塔刀架，無法滿足加工時刀位需求，需要多工序加工完成，從而極大地影響了產(chǎn)品的加工效率，同時由于鋼制螺紋套基數(shù)大、種類多，其生產(chǎn)效率成為制約鋁合金產(chǎn)品制造周期的關(guān)鍵因素之一，通過采用復(fù)雜薄壁套類零件一次成形操作法，設(shè)計制作了用于加工鋼制螺紋套產(chǎn)品的數(shù)控車床復(fù)合刀夾，該刀夾將內(nèi)螺紋車刀與滾齒刀復(fù)合安裝在同一刀夾上，加工零件時，該刀夾與機(jī)床刀架定位鎖緊(圖2)。同時兩把刀具加工過程中互不干涉，滿足鋼制螺紋套一道工序加工成形，解決了鋼制螺紋套多工序加工效率低的問題，為整車的生產(chǎn)效率提供了有效保障。

圖2 刀夾與機(jī)床刀架安裝

該操作法適用于所有鋁合金箱體、殼體類零件所使用的鋼制螺紋套等復(fù)雜薄壁套類加工。目前，鋼制螺紋套等復(fù)雜薄壁套類零件為保證其制造要求，主要采用多工序加工方法，或采用專用數(shù)控車床，該操作法在行業(yè)內(nèi)屬于首創(chuàng)，應(yīng)用于鋼制螺紋套類產(chǎn)品的加工，突破機(jī)床極限，拓展加工工位，而且極大提高生產(chǎn)效率，操作方便，適用性強(qiáng)。

2 項目研究方法

鋼制螺紋套類復(fù)雜薄壁套零件通常在臥式6工位數(shù)控車床上加工，一個刀位只能裝夾一個刀具，應(yīng)用復(fù)雜薄壁套類零件一次成形操作法，實(shí)現(xiàn)一把刀位裝夾兩把刀具，并且保證在使用中相互不干涉，滿足鋼制螺紋套加工要求，同時實(shí)現(xiàn)鋼制螺紋套的一次裝夾成形，提高零件的加工效率與質(zhì)量。

2.1 制作刀座輔具

此刀套適用于直徑100mm以內(nèi)，壁厚不超過10mm的薄壁套類零件，通過此刀套實(shí)現(xiàn)一個刀位放置兩把刀具，建議內(nèi)孔螺紋刀或內(nèi)孔刀與滾齒刀復(fù)合安裝，既避免加工過程中兩刀干涉，同時確保刀架換刀可靠，并且為避免雙刀位與卡爪干涉，需重新設(shè)計制作硬卡爪(見圖3)，以滿足雙刀位刀具加工要求。為了明確區(qū)分兩把刀具在同一刀位上加工坐標(biāo)系中的位置，應(yīng)分別建立參考點(diǎn)，并單獨(dú)存儲刀具信息。

圖3 硬卡爪形狀及安裝

2.2 加工過程優(yōu)化

鋼制螺紋套等復(fù)雜薄壁套類零件加工內(nèi)容主要包括外圓、外槽、外螺紋、內(nèi)孔、內(nèi)螺紋、外齒、切斷、鉆孔等，應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床進(jìn)行零件加工，工藝流程為鉆孔—車端面、外圓、退刀槽—制外螺紋—切預(yù)制槽—滾齒—鏜孔—制螺紋—精車槽—切斷，在項目實(shí)施前，通過將加工內(nèi)容拆分為兩道工序，進(jìn)行兩次裝夾完成，項目實(shí)施后，一次裝夾即可實(shí)現(xiàn)鋼制螺紋套類零件的加工成形，具體加工過程如下：

(1)鉆孔時鉆頭直徑以小于螺紋底孔1mm的為最佳，盡量避免多刀鏜孔，同時保證加工過程中切屑不留在零件內(nèi)腔，防止發(fā)生擠屑情況；

(2)端面、外圓、退刀槽的粗、精加工均選用副偏角為32°的外圓車刀進(jìn)行，并以下切的加工方式將螺紋退刀槽一次加工成形，有效減少換刀次數(shù)；

(3)制外螺紋時應(yīng)單側(cè)進(jìn)刀，切削抗力小，有效減小零件及刀具振動，同時防止產(chǎn)生扎刀現(xiàn)象；

(4)切預(yù)制槽時應(yīng)保證滾齒圓部位厚度達(dá)到最小尺寸，以減小滾齒時的加工抗力；

(5)在鏜孔時推薦采用的刀尖圓弧為0.4的刀具，可以實(shí)現(xiàn)完全斷屑切削，同時選用32°副偏角刀具，直接下切加工內(nèi)螺紋退刀槽，減少一把內(nèi)切槽刀刀位；

(6)由于滾齒刀與內(nèi)螺紋車刀共用一個刀位，同時滾齒位置在接近卡盤一側(cè)，應(yīng)保證內(nèi)螺紋刀的安裝長度控制在不與卡爪發(fā)生碰撞的范圍，滾齒加工時，須降低切削速度及進(jìn)給，推薦切削速度300-400r/min，進(jìn)給速度0.1mm/r，并且加工到尺寸后應(yīng)暫停2s，有效保證滾齒的精度，并且為保證零件齒數(shù)及滾齒深度，需保證與軸向垂直進(jìn)給及垂直退刀，否則會出現(xiàn)亂牙及尺寸超差等問題，加工過程見圖4。

圖4 滾齒加工過程

(7)制內(nèi)螺紋時必須保持左側(cè)向進(jìn)刀，保證切屑向孔口方向排出，防止擠屑，由于加工零件屬于薄壁零件，內(nèi)螺紋刀具也是小孔徑加工刀具，剛性較差，因此在內(nèi)螺紋刀安裝時要略高于機(jī)床主軸中心，保證實(shí)際加工回轉(zhuǎn)中心與刀具中心點(diǎn)重合，加工過程見圖5；

圖5 內(nèi)螺紋加工過程

(8)精車槽時外圓車刀由外至內(nèi)走刀，去除滾齒后的端面擠壓變形，提高零件的光潔度，無毛刺產(chǎn)生。

通過上述操作，即可實(shí)現(xiàn)鋼制螺紋套類零件一次裝夾成形，極大地提高了零件的加工效率，同時通過對加工過程的嚴(yán)格控制，提高了零件的加工質(zhì)量。

2.3 模塊化程序應(yīng)用

針對鋼制螺紋套類同類型多規(guī)格、批量型加工零件，如果保留程序，將占據(jù)大量存儲空間，影響產(chǎn)品的換產(chǎn)。為此，開展了模塊化程序編制及應(yīng)用研究，建立此類零件數(shù)控模塊化程序，由參數(shù)輸入?yún)^(qū)和程序主體兩部分組成，應(yīng)用時程序主體不需任何修改，只需要將產(chǎn)品信息輸入到參數(shù)輸入?yún)^(qū)，就可以完成形狀相同但規(guī)格不同或者形狀不同但存在相同幾何關(guān)系的產(chǎn)品程序。其優(yōu)點(diǎn)是減少煩瑣而重復(fù)的編程工作，確保程序運(yùn)行可靠性，提高程序編制及產(chǎn)品加工效率。并且最大限度降低了由于編程人員技術(shù)水平而導(dǎo)致的編程效率差異，通俗來講，就是實(shí)現(xiàn)所謂的傻瓜編程，實(shí)現(xiàn)了同一程序下通過調(diào)整幾個變量就能加工無數(shù)種規(guī)格的同類型零件的目的。

2.4 利用拔料器提高數(shù)控車加工效率

針對鋼制螺紋套類零件批量大、品種多、尺寸小、原材料以長棒料為主、單個零件加工時間短、人員裝夾頻繁等情況，制作數(shù)控車床自動拔料器，通過程序控制拔料長度以及卡盤松緊，設(shè)置循環(huán)加工，每根料人工裝夾只需一次，極大地節(jié)省了裝夾時間，降低了工人勞動強(qiáng)度。

2.4.1 自動拔料器的選用

通過試用選擇拔料器的規(guī)格，用以適用于圓棒料、六方棒料的加工，調(diào)整夾緊過盈量，達(dá)到精準(zhǔn)定位的要求。

圖6 自動拔料器

開啟機(jī)床卡盤自動松夾功能開發(fā)NC系統(tǒng)PLC程序，設(shè)置M10(卡盤鎖緊)、M11(卡盤松開)指令功能，并設(shè)定安全互鎖，保證主軸旋轉(zhuǎn)時卡盤不會松開。

2.4.2 編制程序，控制自動拉料的過程

編制一個子程序控制拉料、松緊卡盤及等待延時的過程。通過主程序里設(shè)置的一個變量控制子程序拔料的長度，主程序編一個跳轉(zhuǎn)循環(huán)，即可保證程序自動循環(huán)運(yùn)行。

3 主要創(chuàng)新點(diǎn)

復(fù)雜薄壁套類零件一次成形操作法，改變了傳統(tǒng)此類由機(jī)床刀位不足引起的多工序加工模式，突破了機(jī)床極限，拓展了加工工位，針對鋼制螺紋套等復(fù)雜套類零件加工時所需刀具數(shù)量多，機(jī)床現(xiàn)有刀位不足現(xiàn)象，提出并驗證了鋼制螺紋套類產(chǎn)品一次裝夾成形加工方法，技術(shù)創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在：在行業(yè)內(nèi)首次提出復(fù)雜套類多工序加工零件應(yīng)用一次成形加工方法，突破了機(jī)床的極限，提高了機(jī)床利用率，同時也提高了零件的加工效率；創(chuàng)新性地提出了復(fù)雜薄壁套類零件一次成形加工操作方法，確定了應(yīng)用集成刀夾的復(fù)雜薄壁套類零件加工順序、刀具選配原則、加工要求等的工藝方案，有效保證了零件的加工質(zhì)量。

4 成熟度與推廣性

鋼制螺紋套在各類鋁合金材料的箱體、殼體等零件中應(yīng)用極其廣泛，目前公司以數(shù)控車床設(shè)備加工的各種規(guī)格鋼制螺紋套產(chǎn)品均開展了該方法的實(shí)踐和驗證，并已形成了固定的加工操作標(biāo)準(zhǔn)，極大地提高了鋼制螺紋套類零件的加工效率，同時產(chǎn)品的加工質(zhì)量也得到了極大改善，有效降低了產(chǎn)品的廢品率。下一步可推廣至類似結(jié)構(gòu)零件且刀具工位數(shù)量受限的產(chǎn)品加工中，為合并工序提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品制造質(zhì)量具有重要意義。在項目實(shí)施前鋼制螺紋套因一次加工無法成型，均采用二次裝夾定位的加工方法，應(yīng)用本操作法后，該類產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床上一次裝夾即可完成加工，提高了零件的加工效率和加工質(zhì)量。同時本操作法可以推廣至所有復(fù)雜薄壁套類零件加工中，對工序合并從而提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。