該本體是典型的盤類薄壁零件,其最大和最小外圓直徑分別為366.5和332 mm, 最大和最小內(nèi)孔直徑分別為350和322 mm,零件高度為37 mm,多臺階面,兩端面之間最薄處僅為2 mm,而且臺階面上有密封槽。零件剛度差,定位裝夾困難。
該本體零件有13處幾何公差要求,內(nèi)孔尺寸精度為IT6,部分孔和外圓圓柱度要求為≤0.02 mm,大端面和小端面平面度要求為≤0.02 mm,且與孔的垂直度要求為≤0.02 mm,零件尺寸圖如圖1所示。
圖1 零件尺寸圖
該零件的工藝難點如下。
1)本體零件內(nèi)、外圓直徑相差小,軸向尺寸也小,對孔和外圓的圓度和同軸度有要求,并且對端面的平面度和端面對孔軸線的垂直度也有嚴(yán)格要求,精度要求高。
2)該本體直徑大,壁薄,最大壁厚為8 mm,剛度差,加工中如果夾緊位置、夾緊力大小和裝夾方案選擇不當(dāng)易造成裝夾變形,嚴(yán)重影響零件加工精度。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點,精加工時不宜采用常規(guī)的徑向裝夾方法。
3)在精加工過程中,零件壁薄,金屬體積較小,總的熱容量小,零件溫度容易升高,在和切削力的共同作用下,易產(chǎn)生零件變形,導(dǎo)致吃刀深度不均勻,并出現(xiàn)讓刀現(xiàn)象,使加工后的零件出現(xiàn)形狀和尺寸超差[1-2]。
該零件的加工難點如下。
1)由于本體為薄壁盤類零件,且多個面的相對位置要求高,夾緊位置點以及夾緊力大小很難確定。
2)多個端面和圓柱面的尺寸和幾何精度要求較高,車刀幾何參數(shù)和切削參數(shù)選擇困難,對刀具要求嚴(yán)格。
3)為保證零件加工部位及時冷卻,減少加工切削熱帶來的零件變形,應(yīng)選用合適的冷卻液。
在粗加工階段,由于只是去除多余的材料,切削量大,采用徑向夾緊方式;精加工時,為了保證高要求的尺寸精度和幾何公差,不宜采用徑向夾緊,是因為徑向夾緊施力點力臂長,力矩大,易產(chǎn)生夾緊變形,而應(yīng)采用軸向夾緊,最大限度地消除裝夾對零件變形的影響[3-4]。
根據(jù)加工經(jīng)驗,利用均分的4個壓板軸向夾緊零件實點,不能懸空,以保證夾緊區(qū)域附近的荷載合力和合力矩幾乎為零,這樣裝夾力對切削部位影響最小。根據(jù)該本體為盤類零件的特點,精加工時,設(shè)計專用夾具,以孔和軸定位,壓板壓在零件端面實點處,然后利用百分表找正后再夾緊零件,設(shè)計的專用夾具可以在一次定位加工過程中調(diào)換一次壓板(該專用夾具在壓板調(diào)換前、后分別稱為夾具1(見圖2)和夾具2(見圖3)),實現(xiàn)本體零件軸向方向的全部加工,保證了多個圓柱面和端面的相對位置關(guān)系。
圖2 夾具1裝夾零件 圖3 夾具2裝夾零件
采用有限元分析技術(shù),在專用夾具裝夾狀態(tài)下分析不同夾緊力對零件變形的影響,當(dāng)夾緊力變化時,本體的變形也會發(fā)生變化。在夾緊點位置不變的情況下,分別選取2種夾緊力,加載到夾緊點位置。通過有限元仿真分析所對應(yīng)的裝夾變形,根據(jù)變形量確定最大夾緊力限值。4種裝夾方式、2種夾緊力下本體的最大變形量見表1,本體的變形情況分別如圖4~圖5所示。
表1 4種裝夾方式、2種夾緊力下本體的最大變形量
夾具名稱夾緊部位夾緊力/N最大變形量/mm參考圖夾具1尺寸35上面5004.804×10-4圖4a尺寸35上面10009.607×10-4圖4b尺寸37上面2008.605×10-3圖4c尺寸37上面1004.302×10-3圖4d夾具2尺寸35下面1008.531×10-5圖5a尺寸35下面2001.706×10-4圖5b尺寸33上面2008.856×10-5圖5c尺寸33上面1004.428×10-5圖5d
a)尺寸35上面夾緊,夾緊力為500 N
b)尺寸35上面夾緊,夾緊力為1 000 N
c)尺寸37上面夾緊,夾緊力為200 N
d)尺寸37上面夾緊,夾緊力為100 N
圖4 本體在不同裝夾方式、不同夾緊力下的變形情況(夾具1)
a)尺寸35下面夾緊,夾緊力為100 N
b)尺寸35下面夾緊,夾緊力為200 N
c)尺寸33上面夾緊,夾緊力為200 N
d)尺寸33上面夾緊,夾緊力為100 N
圖5 本體在不同裝夾方式、不同夾緊力下的變形情況(夾具2)
根據(jù)本體夾具夾緊力位置和夾緊力有限元仿真分析結(jié)果進行了實操驗證。操作工通過加工和打表驗證,利用力矩扳手,保證4處壓板壓力相同且為定值,在不影響零件精度的情況下,對夾具夾緊力大小進行了調(diào)整,最終夾緊力選為120 N。
刀具的選用會影響零件的精度和表面粗糙度。精車薄壁零件時,刀桿的剛度要高,采用硬質(zhì)合金YT-15材料刀具,修光刃不宜過長,一般取0.2~0.3 mm,刀具口要鋒利。
減小加工時的切削力將會大大減小工件變形。選用較大的主偏角,外圓精車刀采用90°~93°的主偏角、17°前角、0.1~0.2 mm刀尖圓弧半徑,切削力較小,同時減少切削深度、進給量和切削速度,在精車時適當(dāng)增加走刀次數(shù),可以有效避免薄壁變形。
在切削零件過程中,根據(jù)所切材料的性能、切削特點和加工階段,正確地選擇相宜的切削液,以改善材料的切削加工性,及時帶走大量切削熱量,降低切削溫度,提高刀具耐用度,改善工件表面粗糙度,達到減少本體加工變形的目的。
綜合上述因素,考慮本體零件的材料為45鋼、尺寸精度最高等級為6級,且有多項幾何公差,加工刀具為硬質(zhì)合金刀,精加工時切削深度和切削速度小,精加工盤類薄壁零件應(yīng)選用油基切削液,流量充足,冷卻車刀加工區(qū)域,以3%~5%乳化液為宜。
在加工實踐與有限元分析技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上,通過設(shè)計專用夾具,優(yōu)選夾緊布局和夾緊力,優(yōu)化車削刀具參數(shù)和切削參數(shù),合理選用切削液,降低切削溫度,較好地解決了零件加工變形的問題。通過采用上述措施,使該本體零件的加工質(zhì)量得到了大幅度提升,成品率達到了90%以上。目前,該研究成果已推廣應(yīng)用到盤類薄壁零件的加工中,整體提升了本公司盤類薄壁零件的加工質(zhì)量。