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氣缸零件加工工藝研究

2018-3-23 來源：中國空空導(dǎo)彈研究院作者：王國峰

本文通過對影響氣缸加工質(zhì)量的原因進(jìn)行分析，討論了在機(jī)械加工過程中引起這些原因的要素及解決辦法，對深孔加工及孔口螺紋加工引起質(zhì)量問題的現(xiàn)象，包括振刀、加工表面質(zhì)量差等，從刀具的選用、參數(shù)設(shè)定、及時排屑方面做了具體分析說明，得出適合的加工條件及合理的加工方法。

1、零件技術(shù)難度分析

1.1 零件材料難加工

氣缸材料為15-5PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼，該鋼在時效過程中析出碳化物和金屬間化合物產(chǎn)生沉淀硬化，具有很高的強(qiáng)度和綜合力學(xué)性能。15-5PH韌性大，易產(chǎn)生粘附現(xiàn)象，形成積屑瘤，表面加工硬化現(xiàn)象尤為突出，不易斷屑，對刀片的材質(zhì)和槽型提出很高的要求。另外，零件內(nèi)孔尺寸及表面粗糙度要求非常高，零件剛性相對較差，加工難度大。

1.1 深孔加工難度大

零件主體結(jié)構(gòu)為深孔結(jié)構(gòu)，該孔深徑比超過5，刀桿細(xì)長，刀具剛度低，并且刀桿直徑與孔徑差別較小，刀具與零件孔間間隙很小，不利于排屑，刀具剛度及排屑問題是影響加工質(zhì)量的兩個重要因素。

1.3 尺寸、行位公差要求高

1.4 零件剛性差

由于零件的左端有一處凸臺，該凸臺的存在為零件的裝夾帶來了極大的不便，在加工零件的右端時，只能夾持零件凸臺左端，使零件右端懸出過長，影響零件剛度，從而影響零件孔口螺紋的加工質(zhì)量。

圖1 零件結(jié)構(gòu)示意圖

2、擬定工藝方案

零件加工采用粗加工、半精加工、精加工的思路。針對孔的結(jié)構(gòu)以及尺寸精度，孔的加工采用如下加工方法：先用加長鉆頭粗鉆孔，并用平底鉆頭擴(kuò)孔至φ40 mm，然后精鏜孔至尺寸φ41.8 mm，最后磨孔至最終尺寸，工藝路線見圖2所示。由于孔車削為深孔加工，加工難度較大，因此孔與孔口各尺寸（包括螺紋）不宜一次裝夾加工，因此采用工序分散的工藝路線。在加工孔及螺紋時，由于零件懸出過長，剛性較差，加工時用中心架進(jìn)行輔助支撐定位，磨削深盲孔時也采用卡盤夾緊，需每件找正右端中心架輔助定位的裝夾方式，可以較好地解決零件剛性差的問題，提高加工質(zhì)量。

圖2 工藝路線

3、車削加工

3.1加工前技術(shù)準(zhǔn)備

氣缸主要加工工序?yàn)閿?shù)控車削φ42孔至尺寸φ41.8（半精加工）、孔口螺紋車削加工以及磨削φ42孔（精加工），φ42孔半精加工及精加工工序?qū)偕羁住⒚た准庸ぃ@幾道主要工序車削時，氣缸處于懸伸狀態(tài)，尾端用中心架輔助支撐，避免零件在懸伸過長時，造成剛性下降，在切削過程中引起零件變形，發(fā)生切削振動。

刀具在切削工件時發(fā)生振動需要有下面三個條件同時存在：①包括刀具在內(nèi)的工藝系統(tǒng)剛性不足，導(dǎo)致其固有頻率低；②切削產(chǎn)生了一個足夠大的外激力；③這個外激力的頻率與工藝系統(tǒng)的固有頻率相同，產(chǎn)生共振。可以從四個方面考慮減振：①降低切削力；②提高工藝系統(tǒng)剛性；③提高刀具系統(tǒng)的剛性；④刀具減振即使用減振刀具。

（1）孔加工工序。

a、刀片的選擇。

本工序?yàn)閮?nèi)孔加工，在選擇刀片時首先選擇刀片形狀，根據(jù)刀片形狀（刀片可以分為S型、C型、D型、V型刀片如下圖3所）可知刀尖角越小，切削力越小，刀具強(qiáng)度越差，為了減小切削力，本工序選擇V型刀片。

圖3 刀具形狀示意簡圖

然后，合理選擇刀片的前角，適當(dāng)?shù)脑龃笄敖?，能減少切削變形和摩擦，從而將低切削力、切削溫度，改善加工質(zhì)量，抑制積屑瘤等。但前角過大會削弱刀刃的強(qiáng)度和散熱能力，易造成崩刃，選擇18°前角。

b、刀桿的選擇。

選擇刀桿首要考慮的是刀桿剛性，盡量加大刀桿直徑，由于氣缸孔徑φ41.8 mm，選擇直徑為φ32 mm的刀桿，可加工最小孔徑為φ40 mm。選擇刀桿時，還要考慮主偏角的選擇，刀桿主偏角越接近90°，徑向切削力越小，切削時越不容易產(chǎn)生切削振動。這里選擇S32T SVQCR-16刀桿，主偏角107.5°。

c、參數(shù)設(shè)置。

d、加工工步細(xì)化。

由于該孔為平底孔，且刀桿直徑大于孔直徑的的一半，刀具無法過中心，因此無法完成對孔底的加工，如圖4所示。當(dāng)?shù)毒哐亓慵较蛞苿拥阶畲蠓秶鷷r，刀具刀尖仍然無法對孔底進(jìn)行完全切削。

為了解決這個問題，需要細(xì)化工藝路線，采取孔底與孔徑分開加工的方法，首先加工φ41.8孔時，在距孔底2 mm范圍內(nèi)不加工，距孔底2 mm范圍內(nèi)用另一把刀具加工。加工孔時所用刀具刀桿直徑為φ32，加工孔底所用刀具刀桿直徑為φ25，因此加工時可以順利的加工孔底部端面，而不會產(chǎn)生干涉。由于孔底部加工范圍較小，去除余量也小，因此切削力小，不易產(chǎn)生振動。

（2）螺紋加工工序。

內(nèi)螺紋采用數(shù)控車削加工，選擇涂層刀片。螺紋車削進(jìn)刀方式有兩種，一種為直進(jìn)切入法和單向切入法。

a、直進(jìn)切入法。如圖5所示，切削時左右刀刃同時切削、產(chǎn)生的V形鐵屑作用于切削刃口會引起彎曲力較大。加工時要求切深小，刀刃鋒利。適用于一般的螺紋切削，常用于螺距4 mm以下的螺紋切削。

b、單向切入法。圖6所示，此切人法切削刃承受的彎曲壓力小，狀態(tài)較穩(wěn)定，成屑形狀較為有利，切深較大，側(cè)向進(jìn)刀時，齒間有足夠空間排出切屑。常用于加工螺距4 mm以上的不銹鋼等難加工材料或剛性低易振動的工件的螺紋。

程序編制采用固定螺紋循環(huán)編程，螺紋編程指令有G32、G76、G92，一般螺紋常用G92編程，G92編程采用的進(jìn)刀方式為直進(jìn)切入法。

3.2 實(shí)際加工時出現(xiàn)的問題及解決措施

（1）孔加工。

a、加工時存在問題。

在試切削過程中，仍然出現(xiàn)了切削振動的現(xiàn)象，孔表面局部有振刀紋。具體現(xiàn)象為：當(dāng)零件加工軸向長度為（30～40）mm時，開始振刀，且振刀紋路逐漸加深。零件孔內(nèi)有大量切屑不能及時排出，將刀具退出后，有切屑纏繞在刀尖處。根據(jù)這種現(xiàn)象分析，切屑纏繞在刀具上，尤其是刀尖部位，會阻礙刀具的切削運(yùn)動，影響刀具的鋒利程度，從而增加切削力，產(chǎn)生切削振動。

b、解決措施。

要保證刀具鋒利，減少切削力，減小振動，就要保證切屑的順利排出，要想讓切削自然排出，就必須有足夠的排屑空間，受零件結(jié)構(gòu)限制，自然排屑比較困難，簡單有效的解決辦法就是及時地手動排屑，也就是每加工一定的范圍，暫停加工，將刀具退出零件，手動排屑。手動排屑雖然操作起來比較簡單，但是比較耗時，加工效率低下。因此，需要合理的安排手動排屑的次數(shù)，既要保證加工質(zhì)量，又要保證加工效率。通過試驗(yàn)對比，每加工（50～80） mm時，退一次刀，清理切屑，無振刀現(xiàn)象，零件表面加工質(zhì)量良好，又能保證加工效率。精加工時也采取上述方案，分段加工，每加工一段就暫停程序，清理孔內(nèi)切屑，待清理干凈后，再進(jìn)行下段加工。按上述要求進(jìn)行加工，車削時未出現(xiàn)振刀現(xiàn)象，加工質(zhì)量良好，尺寸符合工藝要求，孔表面粗糙度也符合要求，無振刀紋出現(xiàn)。

（2）螺紋加工。

a、存在問題及原因分析。

加工螺紋時同樣出現(xiàn)了振刀及零件表面質(zhì)量差的現(xiàn)象，究其原因應(yīng)是零件剛性不足，加工時采用左端卡盤裝夾定位，右端中心架輔助定位。采用中心架輔助定位時，可以在一定程度上提高零件剛性，但由于受力不均，仍然不能承受過大切削力，因?yàn)橹行募芏ㄎ粫r會試圖使中心架中心與零件中心重合，但在實(shí)際加工過程中不可避免的存在誤差，呈現(xiàn) 偏心狀態(tài) （如圖 7所示），如果零件受力過大，容易使零件變形，產(chǎn)生振動。

b、解決措施。

為了減小切削力，消除振動，可從采取的進(jìn)刀方式以及切削參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，首先對車削螺紋的程序進(jìn)行分析，數(shù)控加工中，程序的編制是否合理，直接影響零件的加工質(zhì)量。該程序采用G92固定循環(huán)編程。螺紋加工的三個指令都各有優(yōu)缺點(diǎn)。G32編程時，為了方便編程，一般采用直進(jìn)式切削方法。由于兩側(cè)刃同時工作，切削力較大，而且排屑困難，因此在切削時，兩切削刃容易磨損。在切削螺距較大的螺紋時，由于切削深度較大，刀刃磨損較快，從而造成螺紋中徑產(chǎn)生誤差；但是其加工的牙型精度較高，因此一般多用于小螺距螺紋的加工。

由于其刀具移動、切削均靠編程來完成，所以加工程序較長；由于刀刃容易磨損，所以加工時要做到勤測量。G92固定循環(huán)的進(jìn)刀方式也是直進(jìn)式，其加工效果與G32類似，切削力較大。G76螺紋切削復(fù)合循環(huán)，一般采用斜進(jìn)式切削方法如圖7所示。由于為單側(cè)刃加工，加工刀刃容易損傷和磨損，使加工的螺紋面不直，刀尖角發(fā)生變化，造成牙型精度較差。但由于其為單側(cè)刃工作，刀具負(fù)載較小，排屑容易，并且切削深度為遞減式，因此此加工方法可以較好的解決振動的問題。

因此，若將原來的G92固定循環(huán)改為G76復(fù)合循環(huán)，應(yīng)能較好的解決振動問題，G76循環(huán)中參數(shù)設(shè)置為最小切深為0.05mm，機(jī)床轉(zhuǎn)速調(diào)整為400 rpm，切削運(yùn)動平穩(wěn)，加工質(zhì)量良好。

4、磨削加工

4.1 磨削加工難點(diǎn)

15-5PH材料導(dǎo)熱性差，具有韌、軟、粘等特性，磨削中切削阻力大，冷卻液不易加注噴射到加工表面時，磨屑及磨粒不能被及時沖走，磨輪與工件徑向與軸向接觸間的磨削區(qū)域產(chǎn)生的瞬間磨削熱不能迅速傳遞擴(kuò)散；另外，材料的線膨脹系數(shù)高，砂輪的磨削鋒刃極易被磨屑粘堵，致使砂輪的“自銳性”顯得很差，零件表面粗糙度不易保證。

4.2 加工對策

（1）砂輪的選用。單晶剛玉磨料具有良好的多棱切刃，并有較高的硬度及韌性，磨削時磨屑相對白剛玉磨粒不易粘堵，利于改善磨削過程中的材料不利因素，增強(qiáng)工藝性，減小磨削熱、材料熱膨脹中的加工變形、尺寸不穩(wěn)等缺陷，并提高生產(chǎn)效率，降低表面粗糙度，因此選用單晶剛玉磨料，具體選用牌號如下：P 40×40×16 SA 120 L

（2）砂輪的修整。磨削過程中砂輪極易被磨屑粘堵變鈍，會使加工表面產(chǎn)生直線度、圓柱度、尺寸不穩(wěn)誤差以及磨削波紋、磨削劃痕、磨削噪音等加工缺陷，因此必須及時正確修整砂輪，保持砂輪切削時的微刃等高性能和鋒利棱角，以利于磨削過程順利進(jìn)行。

（3）確定合理的磨削方法。磨削分粗精磨進(jìn)行加工，粗磨去除總余量的9/10，即0.18 mm左右，精磨去除0.02 mm左右的余量。精磨后要進(jìn)行光整加工，光整加工可以起到對孔中局部點(diǎn)或段的修整，使得整個孔的精度都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（4）零件的充分冷卻。加工中除利用φ20小孔按常規(guī)法加注冷卻液外，還需對冷卻裝置予以改制，改制的措施是：在原外圓磨具的冷卻噴嘴處，重新裝置蛇形金屬軟管，并固緊與磨頭座部位使之與磨頭砂輪一起往復(fù)運(yùn)動，冷卻液有效澆注噴射于磨削區(qū)域，及時沖刷磨屑、磨粒，改善散熱條件，降低磨削溫度，減少加工變形，穩(wěn)定尺寸。

4.3 磨削效果

按上述的注意事項(xiàng)進(jìn)行磨削，零件的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)、尺寸精度可以滿足設(shè)計(jì)要求，尺寸穩(wěn)定。

5、結(jié)論

通過理論分析以及小批量零件試制，對于氣缸類深孔加工可以通過粗鉆、半精車、磨削的加工工藝路線進(jìn)行加工，加工時只要做到選擇合適的車削刀具、磨具，設(shè)置合理的車削、磨削參數(shù)，并配合及時有效的排屑、冷卻，就可以保證零件的加工質(zhì)量，滿足設(shè)計(jì)意圖。螺紋加工要選擇合理的進(jìn)刀方式，采用合理的數(shù)控程序編制方法，設(shè)置合理的切削參數(shù)。通過本文的分析，為以后該類零件的加工提供了經(jīng)驗(yàn)。

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