高精度薄壁類圓弧槽軌道車削加工方法

張杰，周榮軍，張玉琦，劉亮，熊賀芹，廖東

湖北三江航天江北機械工程有限公司 湖北孝感 432000

1 序言

薄壁回轉體金屬零件具有質量輕、節約材料、結構緊湊等特點，廣泛應用于航空航天領域[1]。薄壁回轉體金屬零件在車削加工時，因零件剛性差、強度低，極易造成產品變形。加工過程由于刀具選用不合理、夾具裝夾錯誤而使幾何誤差增大、發生變形，不易保證零件的加工質量[2]。

2 產品工藝分析

2.1 零件結構

反噴管回轉體金屬零件（見圖1），產品材料為30CrMnSiA，調質硬度為42～46HRC。該產品最大直徑為153mm，外形為類錐形，內腔為帶拔模圓柱結構，中間位置為mm圓弧滾道，與φ147mm外圓形成4mm薄壁。在車削加工過程中既要求保證圓弧滾道的加工精度，又要求控制變形，保證加工后內孔、外圓相對于中心的同軸度。

圖1 反噴管回轉體金屬零件

2.2 加工工藝難點

該零件的壁厚不足其孔徑的1/13，加工剛性差，關鍵尺寸為圓弧滾道，要求尺寸公差范圍小。材料為高硬鋼調質，硬度高。薄壁工件本身剛性差，車削時裝夾困難，極易產生變形，而且影響的因素包括夾緊力、切削力、切削熱及彈性復原等因素，所以車削薄壁零件首先要解決夾緊和切削所引起的變形問題，其次要解決加工過程中刀桿、刀片及切削參數的合理選擇問題，最后要解決滾珠彈道槽的檢測問題[3]。加工過程中切削熱、工序間內應力的有效釋放，可以保證零件的加工質量，滾珠彈道槽可采用間接測量的方法。

2.3 通用卡盤夾持變形分析

夾持回轉體零件進行車削加工最常用的夾具是自定心卡盤，此卡盤夾持工件時一般不需要找正，裝夾速度較快，但是在夾持薄壁零件時普通三爪夾持受力面過小，屬于點接觸，夾持力不均勻，導致零件卸下后，內外徑圓柱度無法滿足工藝要求。如圖2所示。

圖2 通用夾具裝夾

圖2a是三爪夾持粗加工之后精加工之前的零件，由于主要受力點位于卡爪與產品裝夾面接觸部分，造成產品發生裝夾變形。圖2b是三爪夾持零件加工完內孔之后，由于裝夾變形，測量結果顯示內孔圓度合格，但是壁厚不均勻。圖2c是加工完卸下后的零件，在自然狀態下夾緊力消失后零件外圓恢復了圓形，內孔卻變成了棱形，加工產品不合格。

2.4 粗、精加工分開進行

對零件實行粗、精加工分開進行，粗加工盡可能多地去除余量，產生的切削力、切削熱較大，車削工件時溫升快，變形較大[2]。粗、精加工之間輔以一定的冷卻時間，以消除切削熱和加工后的內應力。

3 加工工藝方案

細化刀具、刀片選型，優化切削參數，以減少切削應力及切削熱。結合上述影響薄壁件的加工因素，在加工反噴管時，采取以下工藝步驟。反噴管結構及尺寸如圖3所示。

圖3 反噴管結構及尺寸

3.1 加工工序

1）來料：φ160mm×φ125mm×72mm的圓環，材料為 30CrMnSiA 鍛造件。

2）粗車：采用通用自定心卡盤夾持零件左端外圓，車削右端外圓，成品尺寸為φmm，先加工至φ（157±0.2）mm；臺階外圓成品尺寸為，先加工至φ（144±0.2）mm；內孔成品尺寸為φmm，先車削至φ（129±0.2）mm；滾道直徑成品尺寸為mm，先車削至φ（136±0.2）mm；深度成品尺寸為（20±0.05）mm，先車削至（22± 0.05）mm；保證臺階長度尺寸、倒角0.5mm×45°。

采用通用自定心卡盤夾持零件右端外圓，車削左端，外圓成品尺寸為φmm，先車削至φ（1 5 1±0.2）mm；臺階外圓成品尺寸為φ，先車削至φ（144±0.2）mm；零件總長度（65±0.065）mm，先車削至（69±0.2）mm；臺階長度（9±0.08）mm，先車削至（13±0.1）mm；斜角長度成品尺寸（2 0±0.0 8），先車削至（22±0.2）mm；車削內孔角度15°±10′、倒角0.5mm×45°。

3）調質熱處理：調質硬度 42～46HRC。

4）半精車：熱處理后的零件進行半精加工，采用扇形軟爪夾持零件左端外圓，加工右端，單邊留0.5mm精加工余量，車削外圓至φ；臺階外圓至φmm；內孔至φmm；滾道至；零件深度至（20.5±0.05）mm；保證臺階長度尺寸、倒角0.5mm×45°。

使用內撐卡爪撐住右端內孔，加工左端，單邊留0.5mm精加工余量，車削外圓至φmm；臺階外圓至φmm；零件總長至（66±0.065）mm；臺階長度至（1 0±0.0 8）mm；斜角長度至（20.5±0.08）mm；內孔角度15°±10′；倒角0.5mm×45°。將零件取下，放置一段時間，使其應力完全釋放。

5 ）精車：將扇形軟爪內孔加工至φmm，夾持零件左端φmm外圓，夾緊力不宜過大，使用扭力扳手控制在（10±1）N·m，每刀切削深度控制在0.15～0.2mm。車削右端外圓及內孔，保證設計圖樣兩處外圓尺寸φmm、φmm；內孔尺寸φmm；內孔角度15°±8′；滾珠彈道直徑φmm；滾道圓弧mm；車削滾道寬度（20±0.05）mm；保證臺階尺寸mm；倒角0.5mm×45°。

利用扇形軟爪撐住零件右端φmm內孔，車削加工左端外圓及內孔，保證外圓尺寸φmm，臺階外圓φmm，長度尺寸（65±0.065）mm，臺階長度（9±0.08）mm，內孔角度15°±10′，斜角長度（20±0.08）mm，倒角0.5mm×45°。

3.2 工件夾具的改進

制作包容式軟爪以減少零件夾緊變形，該軟爪底部的端齒在卡盤上定位，保持較高的重復安裝精度，卡盤上焊接扇形軟爪，鏜削至略大于零件外徑的內孔，一般比零件外徑大0.02～0.04mm，最大限度地增加夾持面積，使夾緊力均勻地分布在零件上，這樣可以有效減少零件的變形，同時保證卡爪與工件緊密結合，保證夾持的穩定性。如圖4所示。

圖4 加工內孔用夾具示意

將半精車削后的反噴管放入加工好的軟爪中，加工出右端臺階及內孔。然后制作一副圓形撐具（見圖5），以圖3右側尺寸φmm內孔作為裝夾面，加工出左端內外錐面。

圖5 圓形撐具示意

3.3 選擇合適的刀具

切削過程中，刀具材料性能的好壞對于切削效率、加工表面質量等都有很大關系，因此選擇合理的刀具能保證產品的質量和生產效率。表1是筆者在加工過程中摸索出來的加工刀具，相比之前選用的刀具，能更好地減少切削力的產生，有效控制零件的變形。

表1 加工刀具及牌號

3.4 選擇合理的切削參數

根據零件材料、尺寸要求及表面粗糙度要求，確定切削參數，見表2。

表2 切削參數

4 檢驗及測量

4.1 滾道直徑的測量方法

設計滾道直徑為φ139+0.040mm，普通的游標卡尺由于結構限制無法直接測量，需要制作專用檢具，采用比較法進行測量。具體方法為：將最小測量精度為0.01mm、量程為10mm的百分表尾端螺母卸掉，自制一根直徑8mm、長度25mm的延長桿，依靠一枚M2.5內六角圓柱頭螺釘側向固定，將其聯接在百分表上，延長桿另一端加工成半徑為4mm的圓弧，使螺桿與百分表聯接后長度＞140mm，將量程為125～150mm的外徑千分尺調整至139mm，對百分表量具進行校準。利用百分表測量滾道直徑時，表盤面向操作人員，測量出圓弧弧頂最大值。利用百分表測量的最大值與校準值之差即為加工余量。該自制滾道直徑測量量具（見圖6）能準確測量出實際加工滾道直徑值，從而為設計工藝文件提供數據。

圖6 自制滾道直徑測量量具

4.2 滾道圓弧半徑的測量方法

5 結束語

本文通過分析薄壁回轉體金屬零件的工藝特點和影響加工質量的關鍵要素，闡述了車削加工通用夾具的缺陷，采用優化后的裝夾方案、刀具及車削參數，提供了一套薄壁金屬回轉體零件的車削方案。實踐表明該工藝方案適合此類薄壁零件的加工，這套方案使零件的加工合格率由原來55%提升至99.7%。