鈦合金異形曲軸零件的A軸回轉加工定位技術

金鑫，陳峻

航宇救生裝備有限公司 湖北襄陽 441003

1 序言

程序軸是某型彈射救生座椅起動機構的重要件，由于數控加工難度大，因此進一步完善工藝方法對技術性能達標起重要作用。

2 程序軸工藝特點

程序軸的主要功能是依產品秩序起動各個機構動作，產生應有的救生防護功能，其工藝特點如下。

1）程序軸的材料為TC11模鍛件，熱處理后屈服強度（1150±100）MPa，其高黏度和高韌性的特性不適合高速切削。

2）程序軸為具有不規則回轉結構的異形曲軸，表面余量較大，結構強度不高，不適合大深度切削。

3）工藝路線較長，共80道工序、89個設計尺寸，主要功能尺寸由數控車削、數控銑削保證。

4）3道數控銑削工序，加工內容為起動控制功能的空間高精度尺寸，共52個尺寸，如，以及同軸度φ0.2mm、對稱度0.04mm等。

5）數控銑削工序分3個工步裝夾加工完成。A軸工序裝夾如圖1所示。

圖1 A軸工序裝夾

6）數控銑削生產操作過程繁瑣，加工中工件容易受力旋轉，較難滿足技術要求。

3 數控銑削加工難度分析

零件結構如圖2所示。經分析，數控銑削的加工難度如下。

圖2 零件結構

1）數控銑削內容分為30、40、45工序，零件的工藝精度要求高，曲軸結構的工藝強度不高，零件的裝夾定位難度較大。

2）鈦合金材料的切削性能較差，模鍛件材質的黏度、韌性更高[1]，要求切削力與夾持力具有較好的技術匹配性。

3）由于零件設計要求高，定位點選擇與工藝過程精度必須具備完全相關性，因此完成難度大。

4 加工過程

零件加工過程如下。

（1）30工序 定位方法為以卡盤夾持，專用夾套全包圍零件外圓。結構內容為加工2個方、62°±30′等形面。因刀具磨損較快，切削抗力大，必須每件找正中心，調整孔和方加工刀具的參數。30數控銑削工序如圖3所示。

圖3 30數控銑削工序

（2）40工序 定位方式以A軸卡盤夾持，開口套夾φ40mm外圓，加工槽。每件找正2個孔至A軸角度，以達到水平/垂直的空間關系，同時找正外圓作為對稱度基準。

40數控銑削工序如圖4所示。

圖4 40數控銑削工序

（3）45工序 45數控銑削工序如圖5所示。定位方式以A軸卡盤夾持，開口套轉基準于外圓。加工兩段外圓形面——波浪面和凸輪槽，保證各形面角度、尺寸精度；確定工藝基準的空間關系，每件找正2個孔。

曲軸結構的強度不高，必須人工操控尾座頂持力。施加A軸卡盤大夾持力，零件加工中仍受力旋轉，造成波浪面和凸輪槽發生錯位過切現象。在A軸工作臺上必須用數字高度尺反復測量每一件零件的定位水平角度，切削過程中隨時觀察切削狀態，處理異常情況。

加工秩序為從左至右依次粗加工D—D、E—E和F—F各形面→從左至右依次精加工D—D、E—E和F—F各形面（見圖5a）。加工過程中切削E—E、F—F各形面時，零件有振顫現象，表面質量和工藝精度不理想。

5 刀具的選用

根據程序軸鈦合金模鍛材料的物理特性中“黏度高”的首要特點，運用高鈷鋼材料鋒利度好、韌性高的性能，選擇該材質刀具加工，初期2件表面粗糙度、尺寸精度總體效果尚可，但切削效率不高，加工5件后刃部磨損較快，表面質量、尺寸精度持續下降，不能可靠高效地滿足工藝技術和計劃節點要求。

于是選擇采用WCo類合金材質、螺旋角38°及Al2O3/HfN物理涂層的刀具[2]，切削狀態大為改觀，零件表面粗糙度、尺寸精度持續穩定在25件以上，切削效率提升50%以上，刀具耐磨性提升。

數控銑削工序工藝流程優化調整的可能性分析如下。

3）鑒于卡盤裝置三點作用、接觸面小且力量受限，夾套受力后變形嚴重，考慮設計一種新型夾具，統一定位夾持基準，增強夾持力度，增大夾持面積，質量、效率是可以提升的。

6 夾具創新

1）選定定位基準。依據“基準統一，精度一致，直接相關，就近夾持”的原則[3]，兼顧工藝路線的要求，確定外圓和2個孔為加工定位基準（見圖5b）。

圖5 45數控銑削工序

2）確認夾持方式。避免卡盤三點受力“面積小，夾套受力不均”的弊病，考慮采用卡簧（見圖6）全包圍結構，即增大真實接觸面積，夾持力度提高了5倍以上。

圖6 卡簧

3）新夾具方案必須解決的難題：①大批量生產中每件人工找正帶來的誤差。②零件回轉定位的位置關系不穩定。③夾持力臂與切削力臂之比為1∶5.7，呈反比狀態，夾持力的定位作用不夠。

4）夾具方案必須滿足的條件：①確定夾持組件間的相對位置關系。②穩定零件與夾具的力臂關系。③穩定提升夾持力作用。④減少人工操作，滿足批量生產需要。

5）新夾具構思如圖7所示。具體的解決方案為：①回轉中心基準外圓，設計強力彈性卡簧（規格為φ7mm），夾持力均勻地完全包圍外圓，提升夾持作用效果。②強力卡簧的定向槽與內錐孔側壁的定向銷高精度配合，卡簧與夾具主體位置關系確定。③卡簧前端面安裝菱形定位銷，確定與2個孔的定位關系，具有加工過程中提升定位轉矩，抵抗切削力的作用。

圖7 新夾具構思

7 工藝創新

針對曲軸結構強度低的特點，工藝秩序采取如下措施：①從右至左依次加工F—F、E—E、D—D各形面（見圖5a）。②F—F形面粗、精加工均完成后，加工E—E形面；同理，E—E形面粗、精加工均完成后，再加工D—D形面。③40工序并入45工序完成。

先完成F—F、E—E形面加工，最后完成D—D形面，有利于保持D—D曲軸部位強度，有效承載切削力，穩定工藝系統剛性，避免零件切削振顫。40工序內容在45工序完成，降低操作難度，提升生產效率。

8 方案實施

1）依據方案論證，設計新型夾具如圖8所示，其中的定向卡簧主體如圖9所示，卡簧定向槽與零件定位銷如圖10所示。

圖8 新型夾具

圖9 定向卡簧主體

圖10 卡簧定向槽與零件定位銷

2）按照夾具設計方案，制作了裝夾工裝，經在機檢測精度，符合設計功能和使用要求。新型夾具的安裝如圖11所示。

圖11 新型夾具的安裝

3）選擇剛性較好的設備，采用卡簧定向夾具緊固可靠后進行零件加工，夾持跳動≤0.02mm，觀察零件與夾具的組合體在切削中的狀態，確認緊實穩定，經計量檢測合格后，批量生產效果較好。批量生產的零件實物如圖12所示。

圖12 批量生產的零件實物

9 結束語

本文針對鈦合金異形曲軸零件數控銑削中存在的夾持不穩、尺寸偏離及裝夾繁瑣等問題，進行原因分析和工藝改進。依據“基準統一，精度一致，直接相關，就近夾持”的原則，采用彈性強力卡簧和高精度定位銷、定向槽，確定了夾持組件的位置關系，增大夾具接觸面積，提升夾持力度。在“夾持力臂/切削力臂為1∶5.7”的情況下，解決了“曲軸結構強度不高，鈦合金模鍛材料的切削性能差、黏度高，切削力與夾持力的匹配性，以及定位點與工藝精度的相關性”等技術難題，取得了較好的社會效益和經濟效益。

專家點評

該文中的鈦合金異形曲軸，零件結構強度低，材料切削性能差。作者在工藝改進的基礎上，通過夾具設計和工藝過程創新，解決了數控銑削加工中存在的夾持不穩、尺寸偏離及裝夾找正困難等問題。

文章內容豐富，創新性地采用A軸回轉加工定位技術和強力彈性卡簧全包圍夾持方法，解決了曲軸零件加工中的技術難題，顯示出作者較強的技術攻關和工藝創新思維能力。