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數控加工手段的探究與實踐

作者:admin時間:2022-09-01 14:31:57 次瀏覽

信息摘要:

隨著數控加工技術的廣泛運用,數控機床精度高、穩定性好、效率高、自動化強等一系列優點在機械加工中得到了充分體現,但用數控車床加工高硬度零件、薄壁零件、細長軸、細長孔等類零件,經常會出現零件易變形,零件尺寸及表面粗糙度不易保證等技術問題。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,也衍生了

隨著數控加工技術的廣泛運用,數控機床精度高、穩定性好、效率高、自動化強等一系列優點在機械加工中得到了充分體現,但用數控車床加工高硬度零件、薄壁零件、細長軸、細長孔等類零件,經常會出現零件易變形,零件尺寸及表面粗糙度不易保證等技術問題。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,也衍生了新的切削加工工藝和加工方法,使此類零件在數控車床加工時的技術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,內腔由螺紋、臺階孔及圓角構成,零件材料為30CrMnSiA高強度鋼,硬度HRC50~55,壁厚1.5~2mm,內孔粗糙度Ra1.6,螺紋與外圓、內孔的同軸度Φ0.02mm,內孔圓度0.05mm,其形狀及尺寸如所示。


  2.2主要加工難點分析可以看出,Φ64.7mm內孔、M65×1.5螺紋、Φ69mm外圓及Φ65.7mm內孔的斷續加工是該零件zui主要的加工難點,其Φ64.7mm內孔深度為122.8mm,zui薄處壁厚僅為1.5mm.該零件淬火后加工,因剛性差,極易發生變形,加上排屑困難,表面質量、圓度均難以保證,且存在斷續切削時刀具易崩刃、磨損等現象。為保證該零件M65×1.5螺紋與內孔、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行。這些加工難點的存在,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鍵。


  3加工工藝過程設計通過對零件結構及其加工難點的分析,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Φ58mm通孔,保證兩側外圓端面與零件軸線垂直。


  d.數車粗加工內外型,平兩側端面,并與零件軸線垂直,為保證淬火后的零件硬度能夠達到設計要求,內外型均保留1mm余量。


  e.熱處理淬火HRC50~55.


  f.鉆側面6個Φ3.2mm孔。


  g精加工零件右端,平端面,精車內孔、M65×1.5螺紋,同時半精車外圓尺寸至Φ69.4mm(為零件zui終加工留出0.2mm的精車余量),長度為66mm,并保證下道工序加工Φ64.7mm、Φ65.7mm內孔時能與螺紋同軸。


  h.精加工零件左端,平端面,半精車外圓至Φ69.4mm,長度為70mm,分別精車內孔Φ64.7mm、Φ65.7mm,由于Φ65.7mm內孔圓周上有均布的6個Φ3.2mm的小孔,因此存在斷續切削,應盡量避免與Φ64.7mm內孔使用同一把鏜孔刀進行加工。


  i.精車外圓,使用內漲胎精車外圓到Φ69mm.


  4加工工藝方案設計4.1加工刀具的選擇在刀具手冊、樣本中,大多數將淬火硬度大于45HRC以上的切削定義為硬態切削。硬態切削多數情況下只能采用PCBN(聚晶立方氮化硼)刀片或金剛石刀片進行加工,此類刀片多采用負前角方式,刀片不鋒利,韌性差,易破碎,且切削速度要求高,價格昂貴,如果用此類刀片加工該薄壁零件,容易產生振動,且不能進行斷續切削。因此,針對零件淬火后硬度達到HRC50~55,零件材料30CrMnSiA韌性、塑性好的特點,筆者根據自己多年來對刀具的研究,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)復合陶瓷,涂層結構為(Ti,Al)N+TiN,適合于斷續加工,韌性、耐磨性好,切削鋒利,其加工硬度為40HRC.


  內螺紋R166.4KF-20-16 R166.0L-16MM01-250 1020刀桿為全圓形結構,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1~2μm的TiN涂層,切削刃鋒利,耐磨性好,耐高溫,抗切屑錘擊能力強,加工時不易產生振動,其加工硬度為47HRC.


  鏜孔A32T-SCLCL12 CCMT120404-WF5015(半精、精)刀桿為Φ32圓形結構,剛性好,且帶有內冷卻孔,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,在整個刀具壽命期間都能保持刃口鋒利,適合低速加工。同時,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,但筆者通過反復試驗,經優化切削參數和刀具幾何參數,完善夾具設計后,zui終使刀具滿足了零件薄壁、高硬度、斷續的加工要求。


  4.2刀具的幾何參數刀具幾何參數的選擇。


  4.3夾具設計⑴為了滿足此零件加工需要,零件夾具設計時應先計算出卡爪夾緊力和切削力,從而得出機床卡盤需要調整到的壓力。


  卡爪夾緊力公式:W=nDf KM 2式中:n――卡爪數;K――安全系數;f――摩擦系數;M――切削扭距;D――零件直徑。


  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――系數;x Fc、y Fc、n Fc――指數;a p――吃刀深度;f――進給量;V c――切削速度;K MF――材料修正系數;KкrF――主偏角修正系數;KγоF――前角修正系數;KλsF――刃傾角修正系數;KλεF――刀尖圓弧半徑修正系數。


  經查切削手冊,該零件加工時的主切削力為: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卡爪夾緊力:W=nDf KM 2=nf KFc=3.


  0 3 128 2×N=284.4N根據公式計算結果,留出一定的安全保障系數后,將卡爪夾緊力確定為300N.經過對機床液壓缸壓強逐步調整,zui后試驗出液壓缸壓強在0.9bar時卡爪夾緊力能夠滿足要求。另外,設計了扇形軟三爪,以增大夾持面積,減小零件夾緊變形,扇形軟三爪如所示。


  ⑵在零件內孔加工完時又發現在Φ64.7內孔的R3圓周處出現平均為0.05的局部變形(直徑變大),分析這可能是在加工R3時由于切削量突變造成的。


  于是筆者一方面通過增加開槽套筒(如所示),來增加零件的有效壁厚,提高剛性,破壞振頻,降低振動,另一方面在編制加工程序時,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,采用內漲胎(如所示)進行外圓切削加工,這樣可以避免由于磨削而造成的零件應力變形,提高加工效率。內漲胎設計為橡膠膨脹式的夾緊方式,拉桿拉緊時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。由于工件長度較長,靠近主軸的一端剛性較差,為此設計了兩種楔塊,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切削參數選擇由于此零件為高硬度薄壁零件,加工時,剛性較差,易產生振動,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固定的情況下,只能通過優化切削參數進行調整,以表面粗糙度計算公式Ra=εr f 50 2×(f為進給量,εr為刀尖圓弧半徑)為參考,切削參數選擇。


  4.5冷卻方式冷卻液為水溶劑極壓切削液,冷卻時采用機床主軸的冷卻系統與刀座的冷卻系統相配合,從零件左右兩端同時進行冷卻的方式,主軸冷卻系統對準零件,刀座冷卻系統對準刀尖,使加工部位得到快速充分冷卻,以減小切削時切削熱對零件的變形影響,冷卻液對零件冷卻時切忌時有時無,以避免刀具出現冷熱交變而產生破裂現象。


  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、精車時產生的鐵屑又多為紅褐色帶狀屑,容易造成內孔表面劃傷,甚至損壞刀尖,因此在精車、半精車每一刀完成后應暫停,及時清理鐵屑。


  5數控加工程序設計5.1數控程序設計流程數控程序設計流程。


  5.2數控程序設計此零件加工時采用的是西門子840D數控系統,其關鍵點加工程序如下。零件右端內孔及螺紋加工程序:


  7結束語通過筆者介紹的方法,加工后的零件內孔粗糙度達到了Ra1.6,螺紋與外圓、內孔的同軸度為0.02mm,內孔圓度為0.03mm,完全符合設計要求,一次交驗合格率達到了100%。有效解決了高硬度薄壁類零件的車削加工難題,并為高硬度材料零件的螺紋、斷續加工等提供了一些經驗,設計的夾具和總結的優化切削參數,打破了硬態切削的一些常規做法,大幅度提高了加工效率,降低了刀具費用。


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