通过在机测量系统优化薄壁类圆弧槽轨道车削加工

1前言

薄壁回转体金属零件因其重量轻、节省材料、结构紧凑而广泛应用于航空航天领域。车削薄壁金属零件时，由于其刚性差、强度低，容易造成产品变形。在加工过程中，由于刀具选择不合理，夹具装夹不当，几何误差增大，变形，不易保证零件的加工质量。

2产品过程分析

2.1零件结构

喷嘴反向旋转体的金属部分材质为30CrMnSiA，调质硬度为42 ~ 46 HRC。产品最大直径为153㎜，形状为圆锥形，内腔为带拉伸模的圆柱形结构，中间位置为图mm圆弧滚道，与φ147mm外圆形成4mm薄壁。在车削过程中，要求保证圆弧滚道的加工精度，控制变形，保证加工后内孔和外圆相对于中心的同轴度。

2.2加工技术上的困难

该零件壁厚不到其孔径的1/13，加工刚性差。关键尺寸是圆形滚道，要求公差范围小。这种材料经过高硬度钢的淬火和回火处理。薄壁零件刚性差，车削时夹紧困难，容易变形。此外，影响因素还包括夹紧力、切削力、切削热、弹性恢复等。因此，车削薄壁零件时，首先要解决装夹和切削引起的变形，然后要解决刀杆、刀片和切削参数的合理选择，最后要解决滚珠轨迹槽的检测[3]。加工过程中切削热和内应力的有效释放可以保证零件的加工质量，并且可以间接测量球轨迹槽。

2.3万能卡盘夹紧变形分析

车削回转类零件最常用的夹具是自定心卡盘，夹紧工件时一般不需要找正，夹紧速度快。但在夹紧薄壁零件时，常用的三爪夹紧力面过小，属于点接触，夹紧力不均匀，导致零件卸载后内外径圆柱度达不到工艺要求。

三爪粗加工后，精加工前的零件。由于主应力点位于钳口与产品夹紧面的接触部位，产品发生夹紧变形。三爪夹紧件内孔加工后，由于夹紧变形，测量结果显示内孔圆度合格，但壁厚不均。是加工卸载后的零件。在自然状态下，夹紧力消失后，零件外圆恢复为圆形，但内孔变成棱形，加工出的产品不合格。

a)粗加工和夹紧；b)完成后夹紧；c)接受检验的产品。

2.4粗加工和精加工应分开进行。

零件的粗加工和精加工分开进行，粗加工尽可能去除余量，产生较大的切削力和切削热，导致车削工件时温升较快，变形较大。在粗加工和精加工之间增加一定的冷却时间，以消除加工后的切削热和内应力。

3加工工艺方案

细化刀具和刀片的选择，优化切削参数，降低切削应力和切削热。结合以上影响薄壁零件加工的因素，加工倒接管时应采取以下工艺步骤。

3.1加工程序

1)来料:φ160mm×φ125mm×72mm环，材质为30CrMnSiA锻件。

2)粗车:用万能自定心卡盘夹住零件左端的外圆，车削右端的外圆，先将成品加工到φ(157±0.2)mm；图中圆柱形台阶成品尺寸为mm，先加工到φ(144±0.2)mm；图中内孔的成品尺寸为mm。先把它转到φ(129±0.2)mm；图中滚道直径成品尺寸为mm，要先车削到φ(136±0.2)mm；成品深度尺寸为(20±0.05)mm，先车削至(22±0.05)mm；；确保台阶长度为mm，倒角为0.5mm×45。

采用万能自定心卡盘夹住零件右端的外圆，转动左端。成品外圆尺寸图中为mm，先转φ(151±0.2)mm；图中圆柱形台阶成品尺寸为mm，要先车削到φ(144±0.2)mm；零件的总长度为(65±0.065)毫米，第一次车削时为(69±0.2)毫米；步长(9±0.08)mm，先转到(13±0.1)mm；斜角成品尺寸的长度(20±0.08)，先车削至(22±0.2)mm；内孔转角15° 10 '，倒角0.5mm×45。

3)调质热处理:调质硬度为42 ~ 46 HRC。

4)半精车:将热处理后的零件进行半精加工，用扇形软爪夹住零件的左外圆，加工右端，一侧留0.5毫米的精加工余量，将外圆车至图mm；步圈到图片mm；洞内到图片m m；滚到图片mm；零件深度为(20.5±0.05)毫米；；确保台阶长度为mm，倒角为0.5mm×45。

用内支撑爪支撑右端的内孔，加工左端，一侧留0.5mm的精加工余量，外圆车至图mm；步圈到图片mm；零件的总长度为(66±0.065)毫米；；台阶的长度为(10±0.08)毫米；；斜角长度为(20.5±0.08)毫米；；内孔的角度为15° 10’；倒角0.5mm×45。拆下零件，放置一段时间，让其应力完全释放。

5)精车:将扇形软爪的内孔加工到图片mm，在零件左端夹紧图片的外圆，夹紧力不要太大。用扭矩扳手控制在(10±1)n·m，每刀切削深度应控制在0.15 ~ 0.2 mm .转动右外圆和内孔，保证设计图案的两个外圆尺寸为mm和mm；内孔尺寸mm的图片；内孔的角度为15° 8’；弹道直径图片mm；滚弧图mm；转弯滚道宽度(20±0.05)毫米；；确保步长图片为mm；倒角0.5mm×45。

用扇形软爪顶住零件右端的mm内孔，转动左侧外圆和内孔，保证外圆尺寸为mm，台阶外圆尺寸为mm，长度尺寸为(65±0.065)mm，台阶长度为(9±0.08)mm，内孔角度为15° 10 '，坡口长度为(20±0.08)mm，倒角角度为0.0。

3.2工件夹具的改进

制作了包容式软爪，以减少零件的夹紧变形。软爪底部的端齿位于卡盘上，保持较高的重复安装精度。卡盘上焊有扇形软爪，钻成略大于零件外径的内孔，一般比零件外径大0.02~0.04mm。最大限度增加夹紧面积，使夹紧力均匀分布在零件上。这样可以有效减少零件的变形，保证卡爪与工件的紧密结合，保证夹紧的稳定性。

将半成品反嘴放入加工好的软爪中，加工右台阶和内孔。然后制作一对圆形支架，以右尺寸mm的内孔为夹紧面，加工左端内外锥面。

3.3选择合适的工具

在切削过程中，刀具材料的性能与切削效率、表面质量等有很大关系。因此，选择合理的刀具可以保证产品质量和生产效率。表1显示了作者在加工过程中探索的加工工具。与之前选用的刀具相比，能更好地减少切削力的产生，有效控制零件的变形。

3.4选择合理的切削参数。

根据零件材料、尺寸和表面粗糙度的要求，确定切削参数。

4检验和测量

4.1滚道直径的测量方法

图中设计的滚道直径为mm，普通游标卡尺由于结构限制无法直接测量，需要制作专用量具，采用比较法测量。具体方法如下:拆下最小测量精度为0.01mm、量程为10mm的百分表尾螺母，自制一根直径为8mm、长度为25mm的接长杆，用一个M2.5内六角螺钉横向固定，连接到百分表上。加长杆的另一端加工成半径为4mm的圆弧，使螺杆和百分表的长度大于> 140mm，调整外径千分尺，测量范围为125 ~ 150 mm，用百分表测量滚道直径时，刻度盘面对操作者，测量弧顶的最大值。千分表测得的最大值与校准值之差就是加工余量。自制滚道直径量具能准确测量实际加工的滚道直径，为设计工艺文件提供数据。

4.2滚道圆弧半径的测量方法

滚道圆弧半径为mm，在滚道槽底部放置一个φ12.0mm的钢球进行测量。被测钢球与滚道侧壁的间隙为α。当0.03mm ≤ α < 0.08mm时，判定滚道圆弧半径合格，符合设计要求。

5结束语

通过分析回转体薄壁金属零件的工艺特点和影响加工质量的关键因素，阐述了通用车削夹具的缺陷，通过采用优化的装夹方案、刀具和车削参数，提供了一套回转体薄壁金属零件的车削方案。实践表明，该工艺方案适用于此类薄壁零件的加工，零件加工合格率由55%提高到99.7%。