典型小薄壁套類零件的加工

山東省泰安市高級技工學(xué)校 (271000) 焦長玉

小薄壁套類零件在儀表、辦公以及其他小型設(shè)備中應(yīng)用廣泛。其加工難度大，主要原因是在裝夾和機(jī)加工過程中容易產(chǎn)生多種變形。本文對其變形的主要原因進(jìn)行了分析并提出了解決方案，在其夾具的設(shè)計(jì)中采用了氣壓和彈性橡膠，有效地解決了裝夾變形的問題。對其他小薄壁套類零件夾具的設(shè)計(jì)有一定的示范意義。

1.圖樣分析

如圖1 所示，典型小薄壁結(jié)構(gòu)零件。材料為Y1Cr17 (GB/T1220)不銹鋼，棒料毛壞。批量生產(chǎn)。從零件圖樣要求及材料來看，加工此零件的難度是很大的。壁厚最薄1 mm。加工材料為Y1Cr17(GB/T1220)不銹鋼，難切削。內(nèi)徑尺寸為φ10～φ12 mm，公差只有0.01～0.02 mm。外徑為φ14～φ14.3 mm，公差只有0.02 mm。兩端內(nèi)孔對稱，各有一個(gè)0.5×0.1 mm 的內(nèi)溝槽。幾處倒角很小0.15～0.25 mm。該件壁薄易變形、精度高、結(jié)構(gòu)小、難加工、材料難切削。

圖1 工件

2.工藝分析

壁薄是該零件的突出特點(diǎn)。為更好地分析加工工藝過程，要首先分析一下影響薄壁零件加工精度的因素。薄壁零件在夾緊力和切削力的作用下，容易產(chǎn)生變形、振動(dòng)，影響工件車削精度。由于壁薄工件熱容量小，易引起熱變形，工件尺寸不易掌握。

(1)受熱變形:因工件較薄，熱容量小，傳導(dǎo)慢，在切削熱的作用下，工件溫度較高，會引起工件熱變形，使工件尺寸難于控制。

減小切削熱的措施:減小切削力，車削時(shí)需注意控制切削溫度的升高，首先通過減小切削變形(切削力)來減少切削熱的產(chǎn)生，同時(shí)增大刀尖部分的散熱面積以及使用充分的冷卻潤滑液等途徑，將切削熱及時(shí)傳散。切削液應(yīng)選用抗粘結(jié)冷卻性好的切削液，如含硫、氯等極壓添加劑的乳化液;切削液的的供給必須充分。

(2)振動(dòng)變形:在切削力(特別是徑向切削力)的作用下，容易產(chǎn)生振動(dòng)和變形，影響工件的尺寸精度、形狀、位置精度和表面粗糙度。

徑向切削力位于水平面內(nèi)，垂直于縱向走刀方向，刀具和工件之間的抗力，使工件發(fā)生彎曲。由于壁薄背吃刀量小，在切屑斷裂時(shí)，刀尖與工件間的抗力是間歇變化的，從而使工件乃至刀具產(chǎn)生振動(dòng)。

減小振動(dòng)變形的措施:選用剛性好，功率足夠大的機(jī)床。同時(shí)盡可能提高刀具及工件的剛度，如盡可能增大刀桿截面積，減少刀具的懸伸長度等。

(3)受力變形:因工件壁薄，在夾緊力的作用下容易產(chǎn)生變形，從而影響工件的尺寸精度和形狀精度。若用自動(dòng)定心卡盤裝夾薄壁件，零件在三個(gè)卡爪夾緊力的作用下，產(chǎn)生變形，造成零件的圓度誤差。如果減小夾緊力，在車削時(shí)有可能使零件松動(dòng)而報(bào)廢。夾緊力的大小，通常采取粗車時(shí)夾緊些，精車時(shí)夾松些，以控制零件的變形。

為減小壁薄工件的受力變形，常采用開口過渡環(huán)或增大卡爪與工件的接觸面積的方法。這種方法適用于壁不是太薄且便于內(nèi)外結(jié)構(gòu)加工的工件。工件由徑向夾緊改為軸向夾緊，是薄壁套筒工件常用的方法之一。雖然這種方法使工件產(chǎn)生變形很小，但每加工一個(gè)零件都要用螺母鎖緊，增加了裝夾輔助時(shí)間和操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了生產(chǎn)效率，不能夠適應(yīng)大批量生產(chǎn)的要求，特別是在數(shù)控車床上大批量生產(chǎn)類似圖1 所示的薄壁零件。

要解決該零件加工變形及生產(chǎn)效率問題，必須設(shè)計(jì)專用夾具。

加工工藝過程如下:

工序一:夾棒料，φ9.5 mm 鉆頭鉆孔，粗車內(nèi)孔→粗、精車端面至要求→粗車外圓→半精車外形→精車外形至尺寸，切斷。

工序二:專用夾具裝夾，半精車切斷端內(nèi)孔及端面至尺寸→車內(nèi)槽。調(diào)頭，半精車另一端內(nèi)孔至尺寸→車內(nèi)槽。

3.專用夾具設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)如圖1 所示，壁薄零件形腔加工專用夾具。

通過以上工藝分析知:壁薄零件形腔的加工需用專用夾具。

(1)專用夾具的設(shè)計(jì)。

定位基準(zhǔn)的選擇:該工件在前一工序中內(nèi)孔已鉆、外形除切斷端的一個(gè)倒角外其余已加工至要求。選擇φ (14.3±0.009)mm 外圓為徑向基準(zhǔn)、已加工好的左端面為軸向基準(zhǔn)。

夾緊方式的選擇:該零件壁厚僅有1 mm 左右，切削量不能太大，切削力、夾緊力也不能太大，可采用氣壓彈性橡膠專用夾具。

圖2 為該夾具的裝配圖。聯(lián)接盤與機(jī)床主軸相連，結(jié)構(gòu)形式視實(shí)際情況而定。密封墊除起到密封壓縮空氣的作用外，中間φ20 mm 的孔與回轉(zhuǎn)氣動(dòng)裝置中的壓縮空氣管相連，壓縮空氣通過三個(gè)對稱分布的導(dǎo)氣孔作用到彈性橡膠套上，由彈性橡膠套的變形把工件夾緊。夾爪定位孔是當(dāng)夾具與機(jī)床安裝好后配作的。

圖2 夾具

(2)主要零件夾爪的零件如圖3 所示。

圖3 夾爪

4.刀具及切削用量的選擇

采用該氣壓彈性專用夾具在微型精密數(shù)控車床上加工該工件，有效解決了裝夾變形和生產(chǎn)效率問題。但要想對該類工件進(jìn)行正常地加工，還必須合理地選用刀具材料、參數(shù)以及切削用量。

(1)刀具材料、參數(shù)的選擇:圖1 所示，典型壁薄工件材料牌號為Y1Cr17，屬鐵素體類易切不銹鋼。該不銹鋼具有易切結(jié)構(gòu)鋼的切削性能，同時(shí)也具有優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能，生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。通常加工該材料所用的鉆頭、絲錐之類復(fù)雜定型刀具多用新型高速鋼材料，如W12Cr4V4Mo、W12Cr4V5Co5(T15)及W9Cr4V5Co3 等。內(nèi)外圓車刀可選用YG類、YW1、YW2、YH1 及YH2 等常用牌號的硬質(zhì)合金。為使刀具鋒利減小切削力，切削不銹鋼材料的刀具前角應(yīng)盡可能取大值，特別是加工小型壁薄工件。一般前角為12°～30°。為保證足夠的刀具強(qiáng)度，后角不宜過大，粗車為6°～10°，精車為10°～20°。

在批量生產(chǎn)中為保證加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，常選用性能更高專為精密微型工件加工設(shè)計(jì)的刀具，如:超微粒硬質(zhì)合金PVD 涂層刀具和金屬陶瓷類PVD 涂層刀具等。

(2)切削用量的選擇:為保證其加工精度和表面質(zhì)量一般選用較小的背吃刀量、進(jìn)給量和較大的切削速度。粗車外圓背吃刀量取0.3～0.5 mm，內(nèi)孔取0.2～0.3 mm;精車內(nèi)、外圓背吃刀量取0.1～0.15 mm;粗、精車進(jìn)給量取0.02～0.05 mm/r，切槽、切斷取0.02 mm/r，鉆孔時(shí)取0.07 mm/r。用超微粒硬質(zhì)合金和金屬陶瓷類PVD 涂層刀具切削Y1Cr17 不銹鋼的切削速度可達(dá)295 m/min 以上，加工較小尺寸工件時(shí)，一般在機(jī)床回轉(zhuǎn)性能許可的前提下，盡可能選用較高的轉(zhuǎn)速。范例中鉆孔選1200 r/min、粗精車內(nèi)外圓選用3000 r/min、切斷選用2000 r/min。

此外，加工壁薄工件時(shí)一般選擇以冷卻潤滑為主的切削液。如下幾種:硫化油、硫化豆油，煤油加油酸或植物油、四氯化碳加礦物油及乳化液等。