数控技术在高精度空心轴加工的应用

作者：罗杜宇 李哲林

欢迎访问e展厅 展厅 2 车床/数控车床展厅 数控车床, 普通车床, 立式车床, 卧式车床, 车削中心, ... 摘要：本文以某型号飞机螺旋桨轴的工艺编制为基础，对该零件在车削部分数控加工时工艺的安排、工装的设定、刀具的选定以及数控程序的编制作了阐述。通过实践验证该零件工艺文件合理，并以该零件为主样件建立零件族基础库，对加工类似高精度空心轴零件的CAPP和CAM有指导意义。 近年来由于数控设备的引进和推广，给机械制造行业带来了巨大的变革。从传统的普通机床加工转换为先进的数控加工，精度的保证不再是靠操作者手工控制。飞机螺旋桨轴由于其使用性的需要，对机械加工精度和表面质量均提出了较高要求，是数控车床加工的典型零件之一。在如何保证此类零件的精度方面，作者结合苎曼工作提堂了一套行之有效的数控加工方案，它为加工一系列高精度空心轴结构的零件提供了一个理论与实践的参考。 1 零件特性 某飞机上的螺旋桨轴是一个高精度空心轴零件，零件简图如图1所示。零件在工作过程中高速旋转、受力复杂，使用时对零件的动平衡和可靠性要求高。零件总长为28mm，是一根阶梯轴，外圆各处互为基准，圆跳动为0.025mm；内孔相对外圆基准的跳动为0.05mm，跳动精度直接影响零件高速旋转过程中的稳定性和可靠性。 零件材料为AMS6414(美国牌号)相当于40CrNiMoA，属调质钢，可以进行渗氮处理；在高强度时还有很高的韧性；淬透性高，钢的焊接性差。冷变形塑性中等，通过高温退火或等温退火可以改善钢的机械加工性能。在本产品工艺中，材料经调质处理，处理后硬度为(40~45)HRC。 2 数控加工工艺过程安排 从零件图分析，制定机械加工工艺路线时必须考虑该零件的以下特征： (1)空心轴，壁厚约10mm，用三爪卡盘直接装夹将产生较大的夹紧变形； (2)外圆加工时定位基准夹持部位短，定位稳定性差； (3)内孔的表面粗糙度要求高，内孔相对外圆基准的跳动精度高。 (4)孔的长径比大，刀具振动大，易崩刀。 如果采用普通机床加工，外圆表面的加工路线：粗车—半精车—粗磨—精磨—精密磨削；内孔的加工路线：粗镗一半精镗一粗磨一精磨—研磨。 由于数控车床的引进，与普通的车床、镗床比较，它的加工范围和加工精度都有很大提高。经过对零件的技术分析和一段时间的生产试制，最终确定零件的数控加工工艺，如表1所示。 在数控车削过程中，为能达到加工要求，保证产品质量，工艺人员设计了一套适合精车外圆和半精镗、精镗内孔三道工序的专用软爪夹具，这套软爪在加工过程中起到了重要的作用。同时，为了能够确保内孔尺寸精度、圆跳动和表面质量，对内孔加工刀具进行优选。 3 内孔加工刀具的选用 根据零件的结构特点，在零件的加工过程中，镗孔刀具的选择具有特殊性和典型性。最初工艺采用了肯纳的减振镗杆与VDI-50螺栓压紧式刀柄配合，由于镗杆与刀柄之间存在一定间隙，镗杆与刀柄形成线接触，螺栓压紧的稳定性较差，零件的孔径比较大，加工时刀具产生较大振动，尽管对切削参数进行了多次调整，但加工精度仍难以达到设计要求，并且刀片寿命低。经过对振动现象的分析，通过对各种刀杆的试加工，发现刀柄的夹紧方式是引起振动的主要原因之一，后在半精镗内孔时采用了VDI-50弹性夹紧式刀柄(Split sleeve)俗称全包刀柄如图2所示。 刀柄上有一弹性缺口，刀杆伸入刀柄后用螺栓夹紧刀柄，弹性缺口收缩，刀杆与刀柄之间形成面接触，刀具振动基本得到控制唧；精镗内孔时采用整体式刀杆，如图3所示，精加工精度能够满足设计要求，刀片寿命正常。螺栓压紧式与弹性夹紧式刀柄加工产品效果，如表2所示。 4 工序设计 4.1 精车外圆工序的设计 表1中25工序为精车外圆，为使设计基准与定位基准重合，定位采用夹持基准H靠基准面A，利用顶尖定位右端面，如图4所示，由于右端锥孔中心线与外圆H的中心线的同轴度较差，由此产生的过定位引起零件的圆度误差明显超差，加工精度达不到设计要求。通过反复实验和调整，将精车工序的加工工步最终确定为：夹持基准H靠基准面A定位，以(0.15—0.25)mm的吃刀深度精车靠近右端的一段外圆(图4中心支架定位处)，用中心支架夹持这段外圆精加工右端内孔和60°的定位锥度(图4顶尖定位处)。通过以上两个工步使右端锥孔中心线与外圆H中心线的同轴度达到重复定位的要求。松开中心架，顶上顶尖，精车外圆。 4.2 镗内孔工序的设计 内孔加工方法对保证内孔相对外圆的跳动有很大关系。表1中30工序半精镗采用分工步方式进行，每个工步的进刀深度75mm。一次走刀的径向吃刀深度约1.25mm，采用恒线速度107m／min，限制最高转速1120r／min，进给量0.254mm／r。根据加工段的孔径大小决定走刀次数，每工步完成后，镗刀完全退出，清理铁屑，检查刀片。根据内孔长度分若干工步进行(见图5、图6)，实际加工中还应根据孔的大小深度，机床冷却情况等因素进行实时微量调整。 表1中35工序精镗，精镗余量为0.5mm。精镗之前采用恒线速度107rrgmim，限制最高转速1120r／min，进给量0.125nm/r，吃刀深度0.127mm用精镗刀光整内孔，以确保0.5mm的精镗余量均匀。精镗分三次走刀，第一刀吃刀深度为0．25ram，第二、三刀吃刀深度为0.1251rim，采用恒线速度107m／mira，限制最高转速1120r／min，进给量0.1mm／r，三次均由z轴的负方向向正方向走刀。此走刀方式与由z轴正方向向负方向进刀相比较，加工后的内孔表面粗糙度明显前者高于后者。因为正向进刀时，团状切屑在刀杆与已加工内孔表面之间受到挤压，容易刮伤已加工表面，而由z轴的负方向向正方向走刀时，切屑刮伤的为待加工表面，所以负向走刀可以提高加工表面的质量。 内孔表面粗糙度要求高时，支承方式不同对其的影响也不一样。最初工序使用仅在轴中部轴颈处(图1中Φ75.646~由Φ75.621处)用软爪夹紧，由于工件为空心轴，夹持部分壁厚为10.023mm，刚度较低，夹紧力的着力点过于集中，工件产生相应变形，造成加工误差，如图7所示。加工后工件的尺寸精度及圆度均超出设计范围；夹持长度较短，稳定性差，工件内孔表面粗糙度在此加紧方式下只能达到Ra3.2，零件内孔的表面粗糙度设计要求为Ra0.8。为了保证产品的加工质量，本工序使用专用的软爪，软爪在大端法兰和轴中部直径处同时夹紧，如图8所示，夹持长度的增加提高了夹紧的稳定性，同时使夹紧力分散，消除工件的夹紧变形。在采用相同的刀具和切削参数的情况下，采用专用的软爪夹紧加工可以稳定保证内孑L的加工精度及表面粗糙度要求。 5 程序编制 5.1 程序编制背景 产品的精车、半精镗、精镗工序是在德国Boehringer公司进口的VDF315 NC LATHE上完成的。机床的数控系统为FANUC-15Bm，它功能全。界面简单，程序可由电脑编程、模拟后通过串口传人数控设备。编程软件用的是15.0版本的UG刑nigraphics)，编程时先根据生成的刀轨输出一个CLSF刀位原文件，经后置处理器生成机床数控系统能识别的G代码。后置处理器有一个问答式的设置文件，可根据机床数控系统的类别和机床的结构、功能进行设置。对生成的刀轨，UG具有在屏幕上演示加工轨迹的功能。为检查是否有干涉产生，还可将刀具模型画出来按加工轨迹进行三维虚拟加工演示。 5.2 数控程序的编制和零件族基础库 在整个零件的加工过程中，机械加工工序都是在数控车床上完成的，数控程序编制能否满足产品设计要求，是否安全、适用十分重要。 在公司生产的产品中，高精度空心轴是一种典型的零件。零件及专用软爪在加工时都是在同一数控设备上进行。为了能够适合不同尺寸要求的同类产品加工，以该零件为设计主样件建立一个空心轴零件族基础库。 零件在数控程序编制过程中其关键之一是试切程序的编制。因为刀具受机床对刀系统精度的影响，对刀后不作调整加工出来的尺寸与程序里的名义尺寸总存在千分之几毫米的误差。因此，必须采用先试切，然后测量出误差，再把测量得到的误差输入到刀具半径补偿和长度补偿，以保证最终尺寸得到有效控制。试切时的所有条件(如余量和切削参数等)都要与最后精加工时保持一致，以消除这些因素对加工精度的影响。每一批产品的首件都应进行试切，后续产品加工时可以可跳读试切程序。对尺寸公差小的关键尺寸，在最终精加工之前程序中应设置退刀和暂停指令，以便工人测量尺寸，按需要调整刀具半径补偿和长度补偿。外圆车刀的试切可加工一段外圆直径和一个端面，以分别调整径向和轴向的刀具补值，在试切程序模块的基础库中外圆直径和z向长度尺寸是关键参数。建立基础库后，只要将新的参数输入到基础库中的模块化工艺流程，由工艺流程将新的参数传递到原有的数控模块化程序中，即可产生新零件的试切程序。本零件外圆精车刀(5#)的试切程序略(程序内各参数单位采用英制)。 6 结束语 通过对螺旋桨轴关键尺寸的分析，制定了一套合理的数控加工工艺，为关键工序设计了适用的夹具、精选了刀具。该零件的数控工艺通过生产实践，已经验证其可行性，产品合格率达到99％。同时，以该产品为主样件建立的零件族基础库，使加工同类零件时减少了重复工作，缩短工作时间，提高生产效率。(end)

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