薄壁零件的加工工藝和夾具設(shè)計

摘要：本文系統(tǒng)設(shè)計了薄壁零件的數(shù)控車削加工工藝。通過探討薄壁零件在加工中存在的易變形、零件尺寸精度、位置精度及表面粗糙度不易保證等技術(shù)問題，對加工難點進行分析，給出了加工工藝路線和加工方案，通過優(yōu)化、完善夾具設(shè)計和切削參數(shù)，防止了薄壁零件加工變形、保證了較好的尺寸精度和位置精度，從而有效解決薄壁零件的車削加工難題。由于薄壁零件剛性差、強度弱，在加工中極易變形，是零件的形位公差增大，不易保證零件的加工質(zhì)量。因此對薄壁零件的裝夾，切削加工過程中刀具的合理選用及切削量的選擇，提出了嚴(yán)格要求。在普通車床上加工形狀較復(fù)雜、有一定精度要求、且需要多把刀具進行加工的批量零件時，不僅需要頻繁換刀和裝夾，花費大量的人力和時間，而且加工出來的零件質(zhì)量取決于加工人員的技術(shù)水平, 產(chǎn)品質(zhì)量得不到充分的保證。而運用數(shù)控車床，結(jié)合傳統(tǒng)的加工工藝，不但能大大縮短加工時間、提高加工精度，而且成品率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。所以，在運用數(shù)控機床加工過程中為保證被加工薄壁件的必要的精度，有同軸度要求的內(nèi)外圓柱面或有垂直度要求的外圓與端面，盡可能在一次裝夾中完成；需要編制其加工路線、合理的選擇個階段的加工參數(shù)并編寫高質(zhì)量的數(shù)控加工程序。為完全保證零件的形位公差需要設(shè)計其裝夾的夾具，為此，對零件圖紙、零件加工及時效處理等方面都認(rèn)真地進行了分析和研究。圖1-1由圖1-1可看出，64mm的外圓對60mm的內(nèi)孔的同軸度，64的外圓的圓度和表面質(zhì)量以及內(nèi)孔尺寸精度的加工是該薄壁零件最主要的加工難點。因為該零件剛性差、強度弱，在加工中極易變形，表面質(zhì)量、垂直度及同軸度難以保證。鏜削內(nèi)孔時應(yīng)一次裝夾中加工出來，以保證該零件的尺寸精度。針對薄壁零件壁薄、剛性差、易變形的特點，可設(shè)計該薄壁零件專用夾具裝夾，以保證零件的尺寸精度和形位公差達到圖紙技術(shù)要求。這些加工難點的存在，使得加工過程中刀具選擇、加工工藝路線安排、工藝裝夾方式確定等對于該零件是否合格非常關(guān)鍵。加工工藝分析與設(shè)計套類零件是用來支承旋轉(zhuǎn)軸及軸上零件或用來導(dǎo)向的,該類零件的主要表面是內(nèi)孔和外圓,其主要技術(shù)要求是內(nèi)孔及外圓的尺寸以及圓度要求;內(nèi)外圓之間的同軸度要求;孔軸線與端面的垂直度要求。薄壁套類零件壁厚很薄,徑向剛度很弱,在加工過程中受切削力、切削熱及夾緊力等因素的影響,極易變形,導(dǎo)致以上各項技術(shù)要求難以保證。針對這些問題,本文對薄壁套類零件加工過程中裝夾方法、切削用量、刀具幾何角度等做了初步的探討。 1.薄壁套類零件的加工分析 (1)工件裝夾方法薄壁類零件在加工過程中如果采用普通裝夾方法,會因為產(chǎn)生很大的變形而無法保證加工精度。如圖1所示。圖1 套筒夾緊變形誤差 故薄壁類零件的裝夾,一般應(yīng)增大工件的支承面和夾壓面積,或增加夾壓點使之受力均勻,并減小夾壓應(yīng)力和接觸應(yīng)力,必要時可增設(shè)輔助支承,以增強工件的剛性。具體措施如下: 采用工藝夾頭裝夾車削時在坯料上預(yù)留一定的夾持長度,在工件完成內(nèi)孔、外圓及端面的加工后切掉。這樣不但防止了工件產(chǎn)生太大變形,而且保證了內(nèi)孔、外圓及端面間的位置精度。但這種方法在應(yīng)用中有 局限性而且會造成材料的浪費。 增加夾壓點或夾壓面積通過增加夾壓點或夾壓面積減小零件的變形或使變形均勻化。如:采用專用卡爪或開口過渡環(huán)裝夾;采用液性塑料自定心夾頭或彈簧夾頭裝夾;采用傳力襯墊裝夾等。 變徑向夾緊為軸向夾緊使夾緊力作用在剛度較大的軸向,避免了徑向發(fā)生大的變形。 (2)切削用量的選擇為減少工件振動和變形,應(yīng)使工件所受切削力和切削熱較小。在切削過程中產(chǎn)生的切削力可以分解為三個分力:主切削力Fz、進給抗力Fx、吃刀抗力Fy。切削力的經(jīng)驗公式為: 其中吃刀抗力Fy作用在機床和工件剛度最差的方向上,容易引起切削振動和工件的彎曲變形,影響加工精度和工件表面質(zhì)量。 切削熱計算公式為: 從以上兩式中可以看出,切削用量應(yīng)該選較小值,但考慮到生產(chǎn)率及加工塑性材料時避開積屑瘤的影響等,一般背吃刀量和進給量取較小值,而切削速度取較大值。從式(2)中可以看出切削速度增大后產(chǎn)生的熱量會增多,但同時工件與刀具的相對運動速度也提高,使熱量來不及傳到工件上而大部分被切屑帶走,因此,對加工的影響并不會增大。 (3)刀具角度的選擇加工薄壁類工件的刀具刃口要鋒利,一般采用較大的前角和主偏角,但是不能太大,否則會因刀頭體積的減小而引起強度、剛度下降,散熱性能變差,最終影響加工精度。刀具角度的取值與工件的形狀、材質(zhì)以及刀具自身的材料有關(guān)。2加工工藝過程分析在薄壁套的加工中有兩個主要因素影響加工精度：（1）薄壁套本身的剛度比較差，在外力（切削力、夾緊力）的作用下容易變形。（2）薄壁套毛坯為d70x7的45號無縫鋼管，孔的加工余量大，切削時會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，并引起內(nèi)應(yīng)力的重新組合。因此在安排工藝時，就需要把各主要表面的粗精加工工序分開。這樣，粗加工產(chǎn)生的誤差和變形就可以通過半精加工和精加工予以修正，并逐步提高零件的精度和表面質(zhì)量，最后達到零件的技術(shù)要求。通過對該零件的基本情況及加工難點的分析，劃分出薄壁套零件的加工階段并制定出其加工工藝過程。62.1加工階段的劃分薄壁套的加工基本上分為三個階段：（1）粗加工階段。主要包括粗車外圓和粗鏜內(nèi)孔來去掉大部分余量。（2）半精加工階段。主要完成零件一些次要表面的加工，并達到零件表面質(zhì)量和未知精度的要求。其次，采用半精車加工在精加工之前達到必要的精度和加工余量，從而為套外圓的精加工做準(zhǔn)備。（3）精加工階段。為保證薄壁套零件外圓表面質(zhì)量達到圖紙的技術(shù)要求，采用精車零件外圓最后達到所需的精度和粗糙度。2.2定位基面的選擇薄壁套是一典型薄壁零件，在外力作用下很容易產(chǎn)生變形，薄壁套內(nèi)孔與臺階孔表面的尺寸精度和位置精度的要求比較高，因此希望以一個統(tǒng)一基面定位來加工這些要求較高的表面。實際加工中我們選擇外圓表面和斷面1作為加工定位基面。采用外圓表面和斷面1作為基面有以下優(yōu)點：（1）用這種定位方法可以加工外圓表面、端面、內(nèi)孔。且在一次裝夾中完成精度要求較高的表面的加工，既提高了生產(chǎn)效率，又能保證各表面的尺寸精度和位置精度。（2）以外圓作為定位基面一次裝夾同時完成外圓和內(nèi)孔的加工，可以減小薄壁套的壁厚差，從而保證其壁厚均勻。（3）所選定位基面與設(shè)計基準(zhǔn)重合，可以避免因基準(zhǔn)不重合而引起的定位誤差，更好的保證精度。2.2加工工藝過程薄壁套的尺寸精度、加工形位精度的要求比較高。但薄壁套壁薄、剛性差，容易產(chǎn)生變形，這就給薄壁套零件機械加工帶來了很多困難，必須予以充分重視。薄壁套需要加工的表面有：外圓、內(nèi)孔及左右端面等。各主要表面的工序安排如下：（1）外圓面：粗車、半精車、精車；（2）兩端面；粗車、半精車、精車；考慮薄壁套零件需要加工的內(nèi)容不多，加工完成后就能達到待檢狀態(tài)，因此以一次安裝加工作為一道工序。該薄壁零件的數(shù)控加工工藝過程如表2-1所示。表2-1 薄壁套機械加工工藝過程數(shù)控加工工藝過程綜合卡片產(chǎn)品名稱零件名稱零件圖號材料薄壁套45號無縫鋼管程序編號夾具名稱使用設(shè)備車間O0001扇形軟三爪卡盤數(shù)控車床數(shù)控中心序號工序名稱工序內(nèi)容、技術(shù)要求及工序簡圖備注1粗車內(nèi)孔和端面1及半精車內(nèi)孔粗車斷面1，且粗車內(nèi)孔加工到58mm長度尺寸45mm左右半精車內(nèi)孔至59mm工序一簡圖2粗車端面2工件調(diào)頭粗車端面2，保證薄壁套總長度為45mm工序二簡圖3自然時效處理按薄壁套時效工藝進行，時間為一個月4粗車，半精車外圓以及精車外圓采用專用夾具裝夾，加工到下列尺寸及技術(shù)條件：粗車外圓面至65mm，半精車外圓至64.4mm 精車外圓至要求尺寸64mm工序四簡圖5精車內(nèi)孔工件至于套筒內(nèi)加工精車內(nèi)孔到60mm工序五簡圖3加工工藝方案的設(shè)計3.1刀具的選擇數(shù)控編程時，正確選擇刀具是數(shù)控加工工藝中的重要內(nèi)容，其不僅影響機床的加工效率，而且直接影響加工質(zhì)量。選擇刀具通?？紤]工件材料、加工型面類型、切削用量，以及其他相關(guān)因素。刀具選擇總的原則是：既要求精度高、強度大、剛性好、耐用度高，又要求尺寸穩(wěn)定，安裝調(diào)整方便。在滿足加工要求的前提下，盡量選擇較短的刀柄，以提高刀具的剛性。在此原則上，綜合考慮45鋼材料的加工特點以及加工中振動和切削力引起的變形，薄壁套零件的加工刀具均選用機夾可轉(zhuǎn)位車刀，切削刀具參數(shù)選擇見表3-1。表3-1刀具的參數(shù)選擇刀具名稱刀具半徑/mm主偏角前角后角刀片材質(zhì)外圓粗車刀0.490259YG6外圓半精車刀0.2752511YW1外圓精車刀0.2752511YW132切削用量的確定數(shù)控編程中，必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫入程序中。切削用量包括主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量及進給速度等。其選擇原則是保證零件加工精度和表面粗糙度，充分發(fā)揮刀具切削性能，保證合理的刀具耐用度，并充分發(fā)揮機床的性能，最大限度的提高生產(chǎn)率，降低成本。由于此零件為薄壁零件，加工時，剛性較差，易產(chǎn)生振動，刀具的切削硬度又不足以滿足加工需求，為此，在刀具和夾緊力相對固定的情況下，只能通過優(yōu)化切削參數(shù)進行調(diào)整，以表面粗糙度計算公式： （式3-1）（進給量，刀尖圓弧半徑）為參考，切削用量選擇見表3-2。表3-2切削用量的選擇刀具名稱轉(zhuǎn)速r/min進給量/mm背吃刀量/mm外圓粗車刀6000.43外圓半精車刀12000.150.9外圓精車刀12000.150.13.3冷卻與潤滑用硬質(zhì)合金車刀粗車45鋼時，一般要用冷卻潤滑，但因切削用量較大，可用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的乳化液。精加工時由于45鋼容易和氫起化學(xué)作用，使薄壁套零件表面產(chǎn)生很細(xì)的針孔，不宜采用水劑切削液。為減少摩擦和粘刀，一般采用煤油或煤油加機油的混合。5冷卻液對零件冷卻時切忌時有時無，以避免刀具出現(xiàn)冷熱交變而產(chǎn)生破裂現(xiàn)象，必須連續(xù)、充分地澆注，以改善已加工表面的質(zhì)量和提高刀具使用壽命。同時工件不受切削熱的影響而使它的加工尺寸和幾何精度發(fā)生變化，保證了零件的加工質(zhì)量表。夾具設(shè)計1. 在粗車和半精車薄壁套內(nèi)表面時，我選擇的是在毛胚圓筒外面加上一個套筒進行夾緊，在這個套筒上是開了縫的，方便在三爪卡盤上能有效夾緊需要加工的薄壁套。2. 在半精車內(nèi)孔后，可以以內(nèi)孔為定位基準(zhǔn)加工外圓，這時就應(yīng)制作一個專用夾具心軸。 2.1夾具設(shè)計總要求夾具通常安裝在車床的主軸前端部，與主軸一起旋轉(zhuǎn)。由于夾具本身處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因而夾具在保證定位和夾緊的基本要求前提下，還必須有可靠的防松結(jié)構(gòu)。1）結(jié)構(gòu)緊湊、懸伸短 夾具是隨主軸一起回轉(zhuǎn)的，重心應(yīng)盡可能靠近主軸端部，以減少慣性力和回轉(zhuǎn)力矩。夾具懸伸長度L與夾具體外徑D之比應(yīng)參照下列數(shù)值選取。 當(dāng)D150mm時， 取LD1.25； 當(dāng)150mmD300mm時，取LD0.9； 當(dāng)D300mm時， 取LD0.60。薄壁套夾具的外徑是63mm，所以選擇L/D<1.252）平衡、配重 為避免回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心力而引起振動，對夾具應(yīng)進行平衡。 平衡的方法有兩種：設(shè)置配重塊或加工減重孔。配重塊上應(yīng)開有弧形槽或徑向孔，以便調(diào)整配重塊的位置。3）夾緊機構(gòu)應(yīng)安全耐用 夾緊點盡量選在工件直徑最大處，夾緊力足夠大，在切削過程中，不至于在離心力和慣性力作用下使夾緊松動。夾具上盡可能避免帶有尖角或凸出部分。4）夾具與機床的聯(lián)接要準(zhǔn)確、可靠 避免安裝引起的加工誤差。2.2定位原件的設(shè)計要求加工回轉(zhuǎn)面時，定位元件的結(jié)構(gòu)和布置必須保證工件被加工面的軸線與車床主軸的旋轉(zhuǎn)軸線重合。2.3夾緊裝置的設(shè)計要點 夾緊機構(gòu)必須產(chǎn)生足夠的夾緊力，自鎖性能要良好。優(yōu)先采用螺旋夾緊機構(gòu)。對于角鐵式夾具，還應(yīng)注意施力方式，防止引起夾具變形。2.4夾具的平衡及結(jié)構(gòu)要求 對角鐵式、花盤式等結(jié)構(gòu)不對稱的夾具：1）設(shè)計時應(yīng)采用平衡裝置以減少由離心力產(chǎn)生的振動及主軸軸承的磨損。2）夾具結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡單緊湊，輕便且安全，懸伸長度盡量小，使重心靠近主軸前支承。3）夾具的結(jié)構(gòu)還應(yīng)便于工件的安裝、測量和切屑的順利排出或清理。2.5夾具的技術(shù)要求 除一般的技術(shù)要求外，夾具要注意以下幾方面的技術(shù)要求：1）定位元件表面對夾具回轉(zhuǎn)軸線或找正圓環(huán)面的圓跳動。2）定位元件表面對頂尖或錐柄軸線的圓跳動。 3）定位元件表面對夾具安裝基面的垂直度或平行度。4）定位元件表面之間的垂直度或平行度。5）定位元件的軸線對夾具軸線的對稱度。在心軸和薄壁套工件的配合中選擇間隙配合3在精車薄壁套內(nèi)表面時，在加工完成的外圓表面上再加上一個套筒進行夾緊，在這個套筒上是開了縫的，方便在三爪卡盤上能有效夾緊需要加工的薄壁套。（和步驟1相似）