高精度梯形槽法蘭加工工藝

袁印，黃新懷，張銀生

河南省西峽縣內燃機進排氣管有限責任公司 河南南陽 474500

1 序言

梯形槽法蘭在實際應用中主要通過墊圈和法蘭密封面的完整接觸實現良好密封，其特殊的結構形式對密封槽的形狀、位置及配合精度要求很高。我公司生產的某出口件鑄鐵進水管就是采用梯形槽法蘭的密封形式，其壁薄，加工過程易變形，特別是梯形槽加工中心與流道鑄造中心位置要求嚴苛，屬于高精度梯形槽法蘭。開發之初，嘗試了各種常規的加工方法，如數控車床直線與圓弧插補、加工中心編程銑削等，均難以完全滿足圖樣要求。本文介紹一種新的加工工藝，主要采用非標刀具結合中心找正技術，解決高精度梯形槽法蘭的加工問題。

2 梯形槽法蘭加工技術要求

圖1所示梯形槽法蘭壁厚要求（4±0.5）mm，管壁薄，外形不規則。流道鑄造直徑為（52±0.5）mm，梯形槽孔口加工外徑為，槽邊與槽底加工呈95°±0.3°夾角，槽底圓角R（0.45±0.3）mm，孔口圓角R（0.2±0.05）mm，槽底寬度（4.7±0.13）mm，槽深（2.66±0.12）mm，表面粗糙度值Ra=2.5μm。

圖1 梯形槽法蘭

形狀精度方面：孔口圓角R（0.2±0.05）mm、槽底與槽邊表面粗糙度值Ra=2.5μm，要求嚴格，刀具磨損、零件受力變形以及加工過程振刀等因素都會對加工尺寸產生影響。

位置精度方面：梯形槽加工中心與流道鑄造中心理論同心，且梯形槽孔口距離流道鑄造孔口理論距離為0.8mm，對于機器砂型鑄鐵件而言，該尺寸帶范圍偏窄，加工過程中的微小波動都極有可能產生梯形槽豁口或孔口飛邊等問題，影響使用性能。

3 原加工工藝及問題分析

3.1 數控車床直線與圓弧插補車削+搖臂鉆床鉆削工藝

OP10：采用毛坯外形定位，數控車床圓弧插補粗、精車削法蘭面及插補車削梯形槽。數控車削如圖2所示。

圖2 數控車削

OP20：采用加工后的法蘭面及其流道、毛坯外形定位，用普通搖臂鉆床鉆削法蘭面螺栓過孔。

工藝缺點有以下幾方面。

1）該加工工藝對毛坯一致性要求高。該產品作為機器砂型鑄件，毛坯的鑄造公差一般為CT9～CT10級[1]，毛坯鑄造公差大，鑄造精度一般，脹箱、錯箱等鑄造缺陷對加工結果影響較大。

2）采用毛坯外形定位，定位基準（外形）與設計基準（流道中心）不重合會產生定位誤差[2]，而車床又缺少誤差檢測與糾正措施，理論上梯形槽加工中心與流道鑄造中心偏差超過±0.3mm，便會產生孔口飛邊甚至豁口問題。

3）成品率低、加工成本高。端面槽切削刃寬（4±0.025）mm，R角為（0.2±0.05）mm，屬于精密切槽刀片，鋒利、易磨損，換刀頻次高，再加上綜合成品率僅為20%左右，加工成本高昂。

4）法蘭面螺栓過孔由普通鉆床鉆頭經鉆模套導引加工而成，其同樣采用了毛坯外形定位，若兩處螺栓過孔連線中心和密封槽中心偏差大，則會影響產品使用性能。

3.2 加工中心編程銑削+分中棒尋邊工藝

加工中心編程銑削+分中棒尋邊工藝如圖3所示。具體操作流程如下。

圖3 加工中心編程銑削+分中棒尋邊工藝

1）采用刀盤粗、精銑法蘭面。

2）設備暫停，將分中棒裝入加工中心的夾頭上，作業人員操作手輪，使分中棒觸碰流道側壁，根據加工中心面板顯示結果，作業人員自行計算流道中心并修正程序。

3）采用硬質合金銑刀編程銑削梯形槽、鉆螺栓過孔。

工藝缺點：①對毛坯一致性要求高，需人工操作進行中心找正，加工效率低。②常規刀具無法加工出合格梯形槽，即梯形槽形狀無法完全滿足圖樣要求。

4 改進措施

采用1臺加工中心、1套專用夾具，用非標刀具結合設備中心找正技術，一次裝夾實現高精度梯形槽法蘭的加工。

1）設計并制作非標梯形槽成形刀具（見圖4），保證梯形槽形狀精度，刀具設計參數如圖5所示。刀具主要由刀體4、刀夾2和非標可換刀片1組成，刀柄為常規的套式銑刀柄BT40-XM32-75。刀體安裝在套式銑刀柄的φ32g6心軸上，用內六角圓柱頭螺釘緊固，兩邊用鍵槽傳遞扭矩。刀體上設置2處刀倉，采用2個小刀夾，刀夾置于刀倉內，用于安裝非標可換刀片，二者之間用螺釘緊固。其中，刀夾頂端安裝有微調螺釘3，便于Z向調整，使刀具均勻受力，減少振動，提高槽底表面質量。刀片材質為YG6鎢鋼，表面涂敷5～10μm厚的TiC或TiN涂層，以提高表層的耐磨性[3]和刀片的使用壽命。

圖4 非標梯形槽成形刀具

圖5 刀具設計參數

2）對加工中心軟件系統進行升級，加裝機床測頭和相應的運行程序，使加工中心具備中心找正功能。機床測頭為接觸式，使用時測頭只需輕觸工件流道四周并經程序內運算，即可實現機床內工件中心自動找正，保證梯形槽加工中心與流道鑄造中心偏差在±0.2mm。液壓夾具+機床測頭如圖6所示。

圖6 液壓夾具+機床測頭

3）設計液壓夾具，提升夾具剛性，確保工件定位準確、夾緊牢靠，使其不因受力而破壞定位位置[4]，防止出現夾緊變形或切削過程因振刀而導致槽底振紋等異常問題。

5 優化后的加工工藝及效果

5.1 優化后的加工工藝

優化后的加工工藝如下。

1）將產品在液壓夾具中采用外形定位、夾緊后，用刀盤粗、精銑法蘭面。

2）調用刀庫中的接觸式測頭依據運行程序的指令自動打點，進行序中運算后中心找正。

3）調用刀庫中的非標梯形槽成形刀具銑削梯形槽。

4）調用刀庫中的硬質合金鉆頭鉆兩處螺栓過孔。

5.2 效果驗證

工藝改進效果如下。

1）通過非標刀具的設計、制作及應用，穩步提高了梯形槽法蘭的整體形狀精度，梯形槽的表面粗糙度、R角等完全符合圖樣要求。

2）非標刀片采用表面涂層工藝，刀片更耐磨、耐用且更換方便。相較于前期的加工工藝，原刀具成本每件約2元（成品率低），現在刀具成本每件約0.5元，刀具成本降低75%。

3）中心自動找正技術的應用，大大提高了加工效率和梯形槽法蘭的整體位置精度，梯形槽加工中心與流道鑄造中心偏差可以穩定控制在±0.2mm，合格率100%。

4）同一工序一次裝夾即可實現梯形槽與兩處螺栓過孔的同時加工，有效保證了兩處螺栓過孔連線中心和密封槽中心偏差在±0.1mm，確保了產品的使用性能。

5）液壓夾具的使用使該薄壁件的各部位受力可調、可控。準確的定位、支撐與更牢靠的夾緊力，有效避免了加工過程中的振刀、夾緊變形等問題，有效保證了產品加工質量，使原工藝在加工過程中因夾具剛性不足等原因引起的振刀紋或因產品受力變形而造成的尺寸不穩定現象等徹底消除。

6）產品的綜合成品率從原來的20%左右顯著提升至95%，加工效率提升近5倍。

實踐證明，該工藝非常適合砂型薄壁鑄鐵進水管高精度梯形槽法蘭的加工。

6 結束語

本例中的梯形槽法蘭，通過墊圈和法蘭密封面的完整接觸實現密封，對密封槽的形狀、位置及配合精度要求很高。特別是梯形槽加工中心與流道鑄造中心位置要求嚴格，常規的加工和找正方法難以滿足圖樣要求。優化后的新工藝采用1臺加工中心、1套專用夾具，應用非標刀具結合設備的中心自動找正技術，一次裝夾完成全部加工內容，解決了梯形槽的同心度偏差、形狀不合格及槽底振刀紋等加工問題，提升了產品質量和加工效率。

針對梯形槽法蘭的加工要求，充分利用非標刀具、液壓夾具和加工中心的自動找正技術，使原工藝的缺點得到有效改善，具有很好的實用性和創新性。