近年來(lái)由于數(shù)控設(shè)備的引進(jìn)和推廣，給機(jī)械制造行業(yè)帶來(lái)了巨大的變革。從傳統(tǒng)的普通機(jī)床加工轉(zhuǎn)換為先進(jìn)的數(shù)控加工，精度的保證不再是靠操作者手工控制。飛機(jī)螺旋槳軸由于其使用性的需要，對(duì)機(jī)械加工精度和表面質(zhì)量均提出了較高要求，是數(shù)控車(chē)床加工的典型零件之一。在如何保證此類零件的精度方面，作者結(jié)合苧曼工作提堂了一套行之有效的數(shù)控加工方案，它為加工一系列高精度空心軸結(jié)構(gòu)的零件提供了一個(gè)理論與實(shí)踐的參考。

1 零件特性

　　某飛機(jī)上的螺旋槳軸是一個(gè)高精度空心軸零件。零件在工作過(guò)程中高速旋轉(zhuǎn)、受力復(fù)雜，使用時(shí)對(duì)零件的動(dòng)平衡和可靠性要求高。零件總長(zhǎng)為28mm，是一根階梯軸，外圓各處互為基準(zhǔn)，圓跳動(dòng)為0.025mm；內(nèi)孔相對(duì)外圓基準(zhǔn)的跳動(dòng)為0.05mm，跳動(dòng)精度直接影響零件高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性。

　　零件材料為AMS6414(美國(guó)牌號(hào))相當(dāng)于40CrNiMoA，屬調(diào)質(zhì)鋼，可以進(jìn)行滲氮處理；在高強(qiáng)度時(shí)還有很高的韌性；淬透性高，鋼的焊接性差。冷變形塑性中等，通過(guò)高溫退火或等溫退火可以改善鋼的機(jī)械加工性能。在本產(chǎn)品工藝中，材料經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，處理后硬度為(40~45)HRC。

2 數(shù)控加工工藝過(guò)程安排

　　從零件圖分析，制定機(jī)械加工工藝路線時(shí)必須考慮該零件的以下特征：

　　(1)空心軸，壁厚約10mm，用三爪卡盤(pán)直接裝夾將產(chǎn)生較大的夾緊變形；

　　(2)外圓加工時(shí)定位基準(zhǔn)夾持部位短，定位穩(wěn)定性差；

　　(3)內(nèi)孔的表面粗糙度要求高，內(nèi)孔相對(duì)外圓基準(zhǔn)的跳動(dòng)精度高。

　　(4)孔的長(zhǎng)徑比大，刀具振動(dòng)大，易崩刀。

　　如果采用普通機(jī)床加工，外圓表面的加工路線：粗車(chē)—半精車(chē)—粗磨—精磨—精密磨削；內(nèi)孔的加工路線：粗鏜一半精鏜一粗磨一精磨—研磨。

　　由于數(shù)控車(chē)床的引進(jìn)，與普通的車(chē)床、鏜床比較，它的加工范圍和加工精度都有很大提高。經(jīng)過(guò)對(duì)零件的技術(shù)分析和一段時(shí)間的生產(chǎn)試制，最終確定零件的數(shù)控加工工藝。

　　在數(shù)控車(chē)削過(guò)程中，為能達(dá)到加工要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量，工藝人員設(shè)計(jì)了一套適合精車(chē)外圓和半精鏜、精鏜內(nèi)孔三道工序的專用軟爪夾具，這套軟爪在加工過(guò)程中起到了重要的作用。同時(shí)，為了能夠確保內(nèi)孔尺寸精度、圓跳動(dòng)和表面質(zhì)量，對(duì)內(nèi)孔加工刀具進(jìn)行優(yōu)選。

3 內(nèi)孔加工刀具的選用

　　根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在零件的加工過(guò)程中，鏜孔刀具的選擇具有特殊性和典型性。最初工藝采用了肯納的減振鏜桿與VDI-50螺栓壓緊式刀柄配合，由于鏜桿與刀柄之間存在一定間隙，鏜桿與刀柄形成線接觸，螺栓壓緊的穩(wěn)定性較差，零件的孔徑比較大，加工時(shí)刀具產(chǎn)生較大振動(dòng)，盡管對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行了多次調(diào)整，但加工精度仍難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且刀片壽命低。經(jīng)過(guò)對(duì)振動(dòng)現(xiàn)象的分析，通過(guò)對(duì)各種刀桿的試加工，發(fā)現(xiàn)刀柄的夾緊方式是引起振動(dòng)的主要原因之一，后在半精鏜內(nèi)孔時(shí)采用了VDI-50彈性?shī)A緊式刀柄(Split sleeve)俗稱全包刀柄。

　　刀柄上有一彈性缺口，刀桿伸入刀柄后用螺栓夾緊刀柄，彈性缺口收縮，刀桿與刀柄之間形成面接觸，刀具振動(dòng)基本得到控制唧；精鏜內(nèi)孔時(shí)采用整體式刀桿，如圖3所示，精加工精度能夠滿足設(shè)計(jì)要求，刀片壽命正常。螺栓壓緊式與彈性?shī)A緊式刀柄加工產(chǎn)品效果，如表2所示。

4 工序設(shè)計(jì)

　　4.1 精車(chē)外圓工序的設(shè)計(jì)

　　25工序?yàn)榫?chē)外圓，為使設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與定位基準(zhǔn)重合，定位采用夾持基準(zhǔn)H靠基準(zhǔn)面A，利用頂尖定位右端面，如圖4所示，由于右端錐孔中心線與外圓H的中心線的同軸度較差，由此產(chǎn)生的過(guò)定位引起零件的圓度誤差明顯超差，加工精度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和調(diào)整，將精車(chē)工序的加工工步最終確定為：夾持基準(zhǔn)H靠基準(zhǔn)面A定位，以(0.15—0.25)mm的吃刀深度精車(chē)靠近右端的一段外圓(圖4中心支架定位處)，用中心支架夾持這段外圓精加工右端內(nèi)孔和60°的定位錐度。通過(guò)以上兩個(gè)工步使右端錐孔中心線與外圓H中心線的同軸度達(dá)到重復(fù)定位的要求。松開(kāi)中心架，頂上頂尖，精車(chē)外圓。

　　4.2 鏜內(nèi)孔工序的設(shè)計(jì)

　　內(nèi)孔加工方法對(duì)保證內(nèi)孔相對(duì)外圓的跳動(dòng)有很大關(guān)系。表1中30工序半精鏜采用分工步方式進(jìn)行，每個(gè)工步的進(jìn)刀深度75mm。一次走刀的徑向吃刀深度約1.25mm，采用恒線速度107m／min，限制最高轉(zhuǎn)速1120r／min，進(jìn)給量0.254mm／r。根據(jù)加工段的孔徑大小決定走刀次數(shù)，每工步完成后，鏜刀完全退出，清理鐵屑，檢查刀片。根據(jù)內(nèi)孔長(zhǎng)度分若干工步進(jìn)行，實(shí)際加工中還應(yīng)根據(jù)孔的大小深度，機(jī)床冷卻情況等因素進(jìn)行實(shí)時(shí)微量調(diào)整。　　表1中35工序精鏜，精鏜余量為0.5mm。精鏜之前采用恒線速度107rrgmim，限制最高轉(zhuǎn)速1120r／min，進(jìn)給量0.125nm/r，吃刀深度0.127mm用精鏜刀光整內(nèi)孔，以確保0.5mm的精鏜余量均勻。精鏜分三次走刀，第一刀吃刀深度為0．25ram，第二、三刀吃刀深度為0.1251rim，采用恒線速度107m／mira，限制最高轉(zhuǎn)速1120r／min，進(jìn)給量0.1mm／r，三次均由z軸的負(fù)方向向正方向走刀。此走刀方式與由z軸正方向向負(fù)方向進(jìn)刀相比較，加工后的內(nèi)孔表面粗糙度明顯前者高于后者。因?yàn)檎蜻M(jìn)刀時(shí)，團(tuán)狀切屑在刀桿與已加工內(nèi)孔表面之間受到擠壓，容易刮傷已加工表面，而由z軸的負(fù)方向向正方向走刀時(shí)，切屑刮傷的為待加工表面，所以負(fù)向走刀可以提高加工表面的質(zhì)量。

　　內(nèi)孔表面粗糙度要求高時(shí)，支承方式不同對(duì)其的影響也不一樣。最初工序使用僅在軸中部軸頸處(Φ75.646~由Φ75.621處)用軟爪夾緊，由于工件為空心軸，夾持部分壁厚為10.023mm，剛度較低，夾緊力的著力點(diǎn)過(guò)于集中，工件產(chǎn)生相應(yīng)變形，造成加工誤差。加工后工件的尺寸精度及圓度均超出設(shè)計(jì)范圍；夾持長(zhǎng)度較短，穩(wěn)定性差，工件內(nèi)孔表面粗糙度在此加緊方式下只能達(dá)到Ra3.2，零件內(nèi)孔的表面粗糙度設(shè)計(jì)要求為Ra0.8。為了保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量，本工序使用專用的軟爪，軟爪在大端法蘭和軸中部直徑處同時(shí)夾緊，夾持長(zhǎng)度的增加提高了夾緊的穩(wěn)定性，同時(shí)使夾緊力分散，消除工件的夾緊變形。在采用相同的刀具和切削參數(shù)的情況下，采用專用的軟爪夾緊加工可以穩(wěn)定保證內(nèi)孑L的加工精度及表面粗糙度要求。

5 程序編制

　　5.1 程序編制背景

　　產(chǎn)品的精車(chē)、半精鏜、精鏜工序是在德國(guó)Boehringer公司進(jìn)口的VDF315 NC LATHE上完成的。機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)為FANUC-15Bm，它功能全。界面簡(jiǎn)單，程序可由電腦編程、模擬后通過(guò)串口傳人數(shù)控設(shè)備。編程軟件用的是15.0版本的UG刑nigraphics)，編程時(shí)先根據(jù)生成的刀軌輸出一個(gè)CLSF刀位原文件，經(jīng)后置處理器生成機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)能識(shí)別的G代碼。后置處理器有一個(gè)問(wèn)答式的設(shè)置文件，可根據(jù)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的類別和機(jī)床的結(jié)構(gòu)、功能進(jìn)行設(shè)置。對(duì)生成的刀軌，UG具有在屏幕上演示加工軌跡的功能。為檢查是否有干涉產(chǎn)生，還可將刀具模型畫(huà)出來(lái)按加工軌跡進(jìn)行三維虛擬加工演示。

　　5.2 數(shù)控程序的編制和零件族基礎(chǔ)庫(kù)

　　在整個(gè)零件的加工過(guò)程中，機(jī)械加工工序都是在數(shù)控車(chē)床上完成的，數(shù)控程序編制能否滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，是否安全、適用十分重要。

　　在公司生產(chǎn)的產(chǎn)品中，高精度空心軸是一種典型的零件。零件及專用軟爪在加工時(shí)都是在同一數(shù)控設(shè)備上進(jìn)行。為了能夠適合不同尺寸要求的同類產(chǎn)品加工，以該零件為設(shè)計(jì)主樣件建立一個(gè)空心軸零件族基礎(chǔ)庫(kù)。

　　零件在數(shù)控程序編制過(guò)程中其關(guān)鍵之一是試切程序的編制。因?yàn)榈毒呤軝C(jī)床對(duì)刀系統(tǒng)精度的影響，對(duì)刀后不作調(diào)整加工出來(lái)的尺寸與程序里的名義尺寸總存在千分之幾毫米的誤差。因此，必須采用先試切，然后測(cè)量出誤差，再把測(cè)量得到的誤差輸入到刀具半徑補(bǔ)償和長(zhǎng)度補(bǔ)償，以保證最終尺寸得到有效控制。試切時(shí)的所有條件(如余量和切削參數(shù)等)都要與最后精加工時(shí)保持一致，以消除這些因素對(duì)加工精度的影響。每一批產(chǎn)品的首件都應(yīng)進(jìn)行試切，后續(xù)產(chǎn)品加工時(shí)可以可跳讀試切程序。對(duì)尺寸公差小的關(guān)鍵尺寸，在最終精加工之前程序中應(yīng)設(shè)置退刀和暫停指令，以便工人測(cè)量尺寸，按需要調(diào)整刀具半徑補(bǔ)償和長(zhǎng)度補(bǔ)償。外圓車(chē)刀的試切可加工一段外圓直徑和一個(gè)端面，以分別調(diào)整徑向和軸向的刀具補(bǔ)值，在試切程序模塊的基礎(chǔ)庫(kù)中外圓直徑和z向長(zhǎng)度尺寸是關(guān)鍵參數(shù)。建立基礎(chǔ)庫(kù)后，只要將新的參數(shù)輸入到基礎(chǔ)庫(kù)中的模塊化工藝流程，由工藝流程將新的參數(shù)傳遞到原有的數(shù)控模塊化程序中，即可產(chǎn)生新零件的試切程序。本零件外圓精車(chē)刀(5#)的試切程序略(程序內(nèi)各參數(shù)單位采用英制)。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)對(duì)螺旋槳軸關(guān)鍵尺寸的分析，制定了一套合理的數(shù)控加工工藝，為關(guān)鍵工序設(shè)計(jì)了適用的夾具、精選了刀具。該零件的數(shù)控工藝通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐，已經(jīng)驗(yàn)證其可行性，產(chǎn)品合格率達(dá)到99％。同時(shí)，以該產(chǎn)品為主樣件建立的零件族基礎(chǔ)庫(kù)，使加工同類零件時(shí)減少了重復(fù)工作，縮短工作時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。