數(shù)控加工手段的探究與實(shí)踐

第第頁(yè)數(shù)控加工手段的探究與實(shí)踐隨著數(shù)控加工技術(shù)的廣泛運(yùn)用，數(shù)控機(jī)床精度高、穩(wěn)定性好、效率高、自動(dòng)化強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)在機(jī)械加工中得到了充分體現(xiàn)，但用數(shù)控車床加工高硬度零件、薄壁零件、細(xì)長(zhǎng)軸、細(xì)長(zhǎng)孔等類零件，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)零件易變形，零件尺寸及表面粗糙度不易保證等技術(shù)問題。近幾年，伴隨著新的刀具材料、新的表面涂層及新式刀具的出現(xiàn)，也衍生了新的切削加工工藝和加工方法，使此類零件在數(shù)控車床加工時(shí)的技術(shù)難題有了解決的可能。

2典型零件分析2.1基本情況介紹以某典型零件為例，該零件為高硬度薄壁筒形零件，內(nèi)腔由螺紋、臺(tái)階孔及圓角構(gòu)成，零件材料為30CrMnSiA高強(qiáng)度鋼，硬度HRC50～55，壁厚1.5～2mm，內(nèi)孔粗糙度Ra1.6，螺紋與外圓、內(nèi)孔的同軸度0.02mm，內(nèi)孔圓度0.05mm，其形狀及尺寸如所示。

2.2主要加工難點(diǎn)分析可以看出，64.7mm內(nèi)孔、M651.5螺紋、69mm外圓及65.7mm內(nèi)孔的斷續(xù)加工是該零件zui主要的加工難點(diǎn)，其64.7mm內(nèi)孔深度為122.8mm，zui薄處壁厚僅為1.5mm.該零件淬火后加工，因剛性差，極易發(fā)生變形，加上排屑困難，表面質(zhì)量、圓度均難以保證，且存在斷續(xù)切削時(shí)刀具易崩刃、磨損等現(xiàn)象。為保證該零件M651.5螺紋與內(nèi)孔、外圓同軸度，且減小其淬火熱處理后的螺紋變形量，該零件螺紋加工只能在淬火后進(jìn)行。這些加工難點(diǎn)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成為該零件是否合格的關(guān)鍵。

3加工工藝過程設(shè)計(jì)通過對(duì)零件結(jié)構(gòu)及其加工難點(diǎn)的分析，制定出以下加工工藝方案：a.下料b.退火c.普車粗加工外圓、平端面、鉆58mm通孔，保證兩側(cè)外圓端面與零件軸線垂直。

d.數(shù)車粗加工內(nèi)外型，平兩側(cè)端面，并與零件軸線垂直，為保證淬火后的零件硬度能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，內(nèi)外型均保留1mm余量。

e.熱處理淬火HRC50～55.

f.鉆側(cè)面6個(gè)3.2mm孔。

g精加工零件右端，平端面，精車內(nèi)孔、M651.5螺紋，同時(shí)半精車外圓尺寸至69.4mm（為零件zui終加工留出0.2mm的精車余量），長(zhǎng)度為66mm，并保證下道工序加工64.7mm、65.7mm內(nèi)孔時(shí)能與螺紋同軸。

h.精加工零件左端，平端面，半精車外圓至69.4mm，長(zhǎng)度為70mm，分別精車內(nèi)孔64.7mm、65.7mm，由于65.7mm內(nèi)孔圓周上有均布的6個(gè)3.2mm的小孔，因此存在斷續(xù)切削，應(yīng)盡量避免與64.7mm內(nèi)孔使用同一把鏜孔刀進(jìn)行加工。

i.精車外圓，使用內(nèi)漲胎精車外圓到69mm.

4加工工藝方案設(shè)計(jì)4.1加工刀具的選擇在刀具手冊(cè)、樣本中，大多數(shù)將淬火硬度大于45HRC以上的切削定義為硬態(tài)切削。硬態(tài)切削多數(shù)情況下只能采用PCBN（聚晶立方氮化硼）刀片或石刀片進(jìn)行加工，此類刀片多采用負(fù)前角方式，刀片不鋒利，韌性差，易破碎，且切削速度要求高，價(jià)格昂貴，如果用此類刀片加工該薄壁零件，容易產(chǎn)生振動(dòng)，且不能進(jìn)行斷續(xù)切削。因此，針對(duì)零件淬火后硬度達(dá)到HRC50～55，零件材料30CrMnSiA韌性、塑性好的特點(diǎn)，筆者根據(jù)自己多年來(lái)對(duì)刀具的研究，選擇刀具。

刀桿剛性好，且為正前角刀具，刀片為正前角，前角為18o，物理涂層（PVD）復(fù)合陶瓷，涂層結(jié)構(gòu)為（Ti，Al）N+TiN，適合于斷續(xù)加工，韌性、耐磨性好，切削鋒利，其加工硬度為40HRC.

內(nèi)螺紋R166.4KF-20-16R166.0L-16MM01-2501020刀桿為全圓形結(jié)構(gòu)，被包容面積大，裝夾后剛性好，刀片為適合低速切削的物理涂層（PVD）刀片，表面有1～2m的TiN涂層，切削刃鋒利，耐磨性好，耐高溫，抗切屑錘擊能力強(qiáng)，加工時(shí)不易產(chǎn)生振動(dòng)，其加工硬度為47HRC.

鏜孔A32T-SCLCL12CCMT120404-WF5015（半精、精）刀桿為32圓形結(jié)構(gòu)，剛性好，且?guī)в袃?nèi)冷卻孔，能有效地使刀尖和零件得到充分冷卻，降低零件切削溫度，減小變形。刀片為非涂層金屬陶瓷，主要成分為TiC、TiN，刀片具有良好的韌性，在整個(gè)刀具壽命期間都能保持刃口鋒利，適合低速加工。同時(shí)，刀片帶有修光刃（wiper），能有效提高零件表面粗糙度和加工效率（wiper刀片在表面粗糙度要求相同的情況下比普通刀片進(jìn)給量快一倍）。

以上選擇的刀具，雖然在理論加工硬度上并不能滿足加工需要，但筆者通過反復(fù)試驗(yàn)，經(jīng)優(yōu)化切削參數(shù)和刀具幾何參數(shù)，完善夾具設(shè)計(jì)后，zui終使刀具滿足了零件薄壁、高硬度、斷續(xù)的加工要求。

4.2刀具的幾何參數(shù)刀具幾何參數(shù)的選擇。

4.3夾具設(shè)計(jì)⑴為了滿足此零件加工需要，零件夾具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先計(jì)算出卡爪夾緊力和切削力，從而得出機(jī)床卡盤需要調(diào)整到的壓力。

卡爪夾緊力公式：W＝nDfKM2式中：n――卡爪數(shù)；K――安全系數(shù)；f――摩擦系數(shù)；M――切削扭距；D――零件直徑。

切削力公式：Fc＝CFcaxFcpfyFcvnFccKMFKкrFKоFKsFKF切削扭距公式：M＝2FcD式中：CFc――系數(shù)；xFc、yFc、nFc――指數(shù)；ap――吃刀深度；f――進(jìn)給量；Vc――切削速度；KMF――材料修正系數(shù)；KкrF――主偏角修正系數(shù)；KоF――前角修正系數(shù)；KsF――刃傾角修正系數(shù)；KF――刀尖圓弧半徑修正系數(shù)。

經(jīng)查切削手冊(cè)，該零件加工時(shí)的主切削力為：Fc＝27950.41.00.150.7588-0.15）（65021090.750.890.90.60.8N＝128N切削扭距：M＝2FcD＝0.512870N？mm＝4480N？mm卡爪夾緊力：W＝nDfKM2＝nfKFc＝3.

031282N＝284.4N根據(jù)公式計(jì)算結(jié)果，留出一定的安全保障系數(shù)后，將卡爪夾緊力確定為300N.經(jīng)過對(duì)機(jī)床液壓缸壓強(qiáng)逐步調(diào)整，zui后試驗(yàn)出液壓缸壓強(qiáng)在0.9bar時(shí)卡爪夾緊力能夠滿足要求。另外，設(shè)計(jì)了扇形軟三爪，以增大夾持面積，減小零件夾緊變形，扇形軟三爪如所示。

⑵在零件內(nèi)孔加工完時(shí)又發(fā)現(xiàn)在64.7內(nèi)孔的R3圓周處出現(xiàn)平均為0.05的局部變形（直徑變大），分析這可能是在加工R3時(shí)由于切削量突變?cè)斐傻摹?/p>

于是筆者一方面通過增加開槽套筒（如所示），來(lái)增加零件的有效壁厚，提高剛性，破壞振頻，降低振動(dòng)，另一方面在編制加工程序時(shí)，采用R圓弧逐步減小措施，減小切削突變量。

⑶為保證外圓精加工能一次完成，且零件支撐面具有足夠的剛性，采用內(nèi)漲胎（如所示）進(jìn)行外圓切削加工，這樣可以避免由于磨削而造成的零件應(yīng)力變形，提高加工效率。內(nèi)漲胎設(shè)計(jì)為橡膠膨脹式的夾緊方式，拉桿拉緊時(shí)通過螺栓和壓板擠壓楔塊和支撐瓦片，橡膠套在楔塊和支撐瓦片的作用下完成工件的夾緊。由于工件長(zhǎng)度較長(zhǎng)，靠近主軸的一端剛性較差，為此設(shè)計(jì)了兩種楔塊，楔塊1的傾角為12和45，楔塊2的傾角為12.5和46，保證了工藝系統(tǒng)的剛性。橡膠套*部位是通過三片支撐瓦片傳力的，保證了*部位的有效支撐、夾緊。

4.4切削參數(shù)選擇由于此零件為高硬度薄壁零件，加工時(shí)，剛性較差，易產(chǎn)生振動(dòng)，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(duì)固定的情況下，只能通過優(yōu)化切削參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以表面粗糙度計(jì)算公式Ra＝rf502（f為進(jìn)給量，r為刀尖圓弧半徑）為參考，切削參數(shù)選擇。

4.5冷卻方式冷卻液為水溶劑極壓切削液，冷卻時(shí)采用機(jī)床主軸的冷卻系統(tǒng)與刀座的冷卻系統(tǒng)相配合，從零件左右兩端同時(shí)進(jìn)行冷卻的方式，主軸冷卻系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)零件，刀座冷卻系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)刀尖，使加工部位得到快速充分冷卻，以減小切削時(shí)切削熱對(duì)零件的變形影響，冷卻液對(duì)零件冷卻時(shí)切忌時(shí)有時(shí)無(wú)，以避免刀具出現(xiàn)冷熱交變而產(chǎn)生破裂現(xiàn)象。

4.6排屑問題的處理由于該零件孔的加工深度較深，半精車、精車時(shí)產(chǎn)生的鐵屑又多為紅褐色帶狀屑，容易造成內(nèi)孔表面劃傷，甚至損壞刀尖，因此在精車、半精車每一刀完成后應(yīng)暫停，及時(shí)清理鐵屑。

5數(shù)控加工程序設(shè)計(jì)5.1數(shù)控程序設(shè)計(jì)流程數(shù)控程序設(shè)計(jì)流程。

5.2數(shù)控程序設(shè)計(jì)此零件加工時(shí)采用的是西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，其關(guān)鍵點(diǎn)加工程序如下。零件右端內(nèi)孔及螺紋加工程序：

7結(jié)束語(yǔ)通過筆者介紹