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数控加工手段的探究与实践
点击次数:1107 发布时间:2012-10-09
 

随着数控加工技术的广泛运用,数控机床精度高、稳定性好、效率高、自动化强等一系列优点在机械加工中得到了充分体现,但用数控车床加工高硬度零件如:穿线拖链数控机床排屑机、薄壁零件、细长轴、细长孔等类零件,经常会出现零件易变形,零件尺寸及表面粗糙度不易保证等技术问题。近几年,伴随着新的刀具材料、新的表面涂层及新式刀具的出现,也衍生了新的切削加工工艺和加工方法,使此类零件在数控车床加工时的技术难题有了解决的可能。

  2典型零件分析

2.1基本情况介绍以某典型零件为例,该零件为高硬度薄壁筒形零件,内腔由螺纹、台阶孔及圆角构成,零件材料为30CrMnSiA高强度钢,硬度HRC50~55,壁厚1.5~2mm,内孔粗糙度Ra1.6,螺纹与外圆、内孔的同轴度Φ0.02mm,内孔圆度0.05mm,数控机床排屑机

2.2主要加工难点分析可以看出,Φ64.7mm内孔、M65×1.5螺纹、Φ69mm外圆及Φ65.7mm内孔的断续加工是该零件zui主要的加工难点,其Φ64.7mm内孔深度为122.8mm,zui薄处壁厚仅为1.5mm.该零件淬火后加工,因刚性差,极易发生变形,加上排屑困难,表面质量、圆度均难以保证,且存在断续切削时刀具易崩刃、磨损等现象。为保证该零件M65×1.5螺纹与内孔、外圆同轴度,且减小其淬火热处理后的螺纹变形量,该零件螺纹加工只能在淬火后进行。这些加工难点的存在,使得加工过程中刀具选择、加工工艺路线安排、工艺装夹方式确定等成为该零件是否合格的关键。

  3加工工艺过程设计通过对零件结构及其加工难点的分析,制定出以下加工工艺方案:

a.下料
b.退火
c.普车粗加工外圆、平端面、钻Φ58mm通孔,保证两侧外圆端面与零件轴线垂直。
d.数车粗加工内外型,平两侧端面,并与零件轴线垂直,为保证淬火后的零件硬度能够达到设计要求,内外型均保留1mm余量。
e.热处理淬火HRC50~55.
f.钻侧面6个Φ3.2mm孔。
g精加工零件右端,平端面,精车内孔、M65×1.5螺纹,同时半精车外圆尺寸至Φ69.4mm(为零件zui终加工留出0.2mm的精车余量),长度为66mm,并保证下道工序加工Φ64.7mm、Φ65.7mm内孔时能与螺纹同轴。
h.精加工零件左端,平端面,半精车外圆至Φ69.4mm,长度为70mm,分别精车内孔Φ64.7mm、Φ65.7mm,由于Φ65.7mm内孔圆周上有均布的6个Φ3.2mm的小孔,因此存在断续切削,应尽量避免与Φ64.7mm内孔使用同一把镗孔刀进行加工。
i.精车外圆,使用内涨胎精车外圆到Φ69mm.

  4加工工艺方案设计

4.1加工刀具的选择在刀具手册、样本中,大多数将淬火硬度大于45HRC以上的切削定义为硬态切削。硬态切削多数情况下只能采用PCBN(聚晶立方氮化硼)刀片或金刚石刀片进行加工,此类刀片多采用负前角方式,刀片不锋利,韧性差,易破碎,且切削速度要求高,价格昂贵,如果用此类刀片加工该薄壁零件,容易产生振动,且不能进行断续切削。因此,针对零件淬火后硬度达到HRC50~55,零件材料30CrMnSiA韧性、塑性好的特点,笔者根据自己多年来对刀具的研究,选择刀具。
  刀杆刚性好,且为正前角刀具,刀片为正前角,前角为18o,物理涂层(PVD)复合陶瓷,涂层结构为(Ti,Al)N+TiN,适合于断续加工,韧性、耐磨性好,切削锋利,其加工硬度为40HRC.
  内螺纹R166.4KF-20-16 R166.0L-16MM01-250 1020刀杆为全圆形结构,被包容面积大,装夹后刚性好,刀片为适合低速切削的物理涂层(PVD)刀片,表面有1~2μm的TiN涂层,切削刃锋利,耐磨性好,耐高温,抗切屑锤击能力强,加工时不易产生振动,其加工硬度为47HRC.
  镗孔A32T-SCLCL12 CCMT120404-WF5015(半精、精)刀杆为Φ32圆形结构,刚性好,且带有内冷却孔,能有效地使刀尖和零件得到充分冷却,降低零件切削温度,减小变形。刀片为非涂层金属陶瓷,主要成分为TiC、TiN,刀片具有良好的韧性,在整个刀具寿命期间都能保持刃口锋利,适合低速加工。同时,刀片带有修光刃(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况下比普通刀片进给量快一倍)。
  以上选择的刀具,虽然在理论加工硬度上并不能满足加工需要,但笔者通过反复试验,经优化切削参数和刀具几何参数,完善夹具设计后,zui终使刀具满足了零件薄壁、高硬度、断续的加工要求。

4.2刀具的几何参数刀具几何参数的选择。

4.3专用夹具设计⑴为了满足此零件加工需要,零件夹具设计时应先计算出卡爪夹紧力和切削力,从而得出机床卡盘需要调整到的压力。

  卡爪夹紧力公式:W=nDf KM 2式中:n――卡爪数;K――安全系数;f――摩擦系数;M――切削扭距;D――零件直径。

  切削力公式:F c=C Fc a xFc p f yFc v nFc c K MF KкrF KγоF KλsF KλεF切削扭距公式:M=2 FcD式中:C Fc――系数;x Fc、y Fc、n Fc――指数;a p――吃刀深度;f――进给量;V c――切削速度;K MF――材料修正系数;KкrF――主偏角修正系数;KγоF――前角修正系数;KλsF――刃倾角修正系数;KλεF――刀尖圆弧半径修正系数。

  经查切削手册,该零件加工时的主切削力为:F c=2795×0.4 1.0×0.15 0.75×88 -0.15×)(650 2109 0.75×0.89×0.9×0.6×0.8N=128N切削扭距:M=2 FcD=0.5×128×70 N?mm=4480 N?mm卡爪夹紧力:W=nDf KM 2=nf KFc=3.

  0 3 128 2×N=284.4N根据公式计算结果,留出一定的安全保障系数后,将卡爪夹紧力确定为300N.经过对机床液压缸压强逐步调整,zui后试验出液压缸压强在0.9bar时卡爪夹紧力能够满足要求。另外,设计了扇形软三爪,以增大夹持面积,减小零件夹紧变形,扇形软三爪。

  ⑵在零件内孔加工完时又发现在Φ64.7内孔的R3圆周处出现平均为0.05的局部变形(直径变大),分析这可能是在加工R3时由于切削量突变造成的。

  于是笔者一方面通过增加开槽套筒,来增加零件的有效壁厚,提高刚性,破坏振频,降低振动,另一方面在编制加工程序时,采用R圆弧逐步减小措施,减小切削突变量。

  ⑶为保证外圆精加工能一次完成,且零件支撑面具有足够的刚性,采用内涨胎(如所示)进行外圆切削加工,这样可以避免由于磨削而造成的零件应力变形,提高加工效率。内涨胎设计为橡胶膨胀式的夹紧方式,拉杆拉紧时通过螺栓和压板挤压楔块和支撑瓦片,橡胶套在楔块和支撑瓦片的作用下完成工件的夹紧。由于工件长度较长,靠近主轴的一端刚性较差,为此设计了两种楔块,楔块1的倾角为12°和45°,楔块2的倾角为12.5°和46°,保证了工艺系统的刚性。橡胶套中央部位是通过三片支撑瓦片传力的,保证了中央部位的有效支撑、夹紧。

4.4切削参数选择由于此零件为高硬度薄壁零件,加工时,刚性较差,易产生振动,刀具的切削硬度又不足以满足加工需求,为此,在刀具和夹紧力相对固定的情况下,只能通过优化切削参数进行调整,以表面粗糙度计算公式Ra=εr f 50 2×(f为进给量,εr为刀尖圆弧半径)为参考,切削参数选择。

4.5冷却方式冷却液为水溶剂极压切削液,冷却时采用机床主轴的冷却系统与刀座的冷却系统相配合,从零件左右两端同时进行冷却的方式,主轴冷却系统对准零件,刀座冷却系统对准刀尖,使加工部位得到快速充分冷却,以减小切削时切削热对零件的变形影响,冷却液对零件冷却时切忌时有时无,以避免刀具出现冷热交变而产生破裂现象。

4.6排屑问题的处理由于该零件孔的加工深度较深,半精车、精车时产生的铁屑又多为红褐色带状屑,容易造成内孔表面划伤,甚至损坏刀尖,因此在精车、半精车每一刀完成后应暂停,及时清理铁屑。

  5数控加工程序设计
 
5.1数控程序设计流程数控程序设计流程。

5.2数控程序设计此零件加工时采用的是西门子840D数控系统,其关键点加工程序。

结束语:通过笔者介绍的方法,加工后的零件内孔粗糙度达到了Ra1.6,螺纹与外圆、内孔的同轴度为0.02mm,内孔圆度为0.03mm,完全符合设计要求,一次交验合格率达到了100%。有效解决了高硬度薄壁类零件的车削加工难题,并为高硬度材料零件的螺纹、断续加工等提供了一些经验,设计的夹具和总结的优化切削参数,打破了硬态切削的一些常规做法,大幅度提高了加工效率,降低了刀具费用。

 
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