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氣缸（gāng）零件加工工藝研究

2018-3-23 來源：中國空空（kōng）導彈研究院作者：王（wáng）國峰

本文通過對影響氣缸加工質量的原因進行分析，討論（lùn）了在機械加工過程中引起這些原因的要素及解決辦法，對深孔加工及孔口螺紋（wén）加工引起質量問題的現象，包括振刀、加工表麵質量差等，從刀具的選用、參數設定、及時排屑方麵做了具體分析說明（míng），得出適合的加工條件及合理的加工方法。

1、零件技術難度分析

1.1 零件材料難加工

氣缸材料為15-5PH馬氏體沉澱硬化不鏽鋼，該鋼在（zài）時（shí）效過程中析出碳（tàn）化物和金屬間化合物（wù）產生（shēng）沉澱硬化，具有很高的強度和綜合力學性能。15-5PH韌性大，易產生粘附現象，形成積屑瘤，表麵加工硬化現象尤為突（tū）出，不易斷屑，對刀片的材質和槽型提出很高的要求。另外，零件內孔尺寸及表麵粗糙度要求非常高，零件剛性相對較差，加工難度大。

1.1 深孔加工（gōng）難度大

零件主體結構為深孔結構，該孔深徑比超過5，刀杆細長，刀具剛（gāng）度低，並且刀（dāo）杆直徑（jìng）與孔（kǒng）徑差別較（jiào）小，刀具與零件孔間間隙很小，不利於排屑，刀具剛度（dù）及排屑問題是影響加（jiā）工質量的兩個重要因素。

1.3 尺寸、行位公差（chà）要求高

1.4 零（líng）件剛性差

由於零件的左端有一處凸台，該凸台的存在（zài）為零件的裝（zhuāng）夾帶來了極大（dà）的不便，在加工零件的右端時，隻能夾持零件凸台左端，使零件（jiàn）右端懸出過長，影響零件剛度，從而影響（xiǎng）零件孔口螺紋的加工質量（liàng）。

圖1 零件結構示（shì）意圖

2、擬定工藝方案

零件加工（gōng）采用粗加工（gōng）、半精加工、精加工的思路。針對孔的結構以及（jí）尺（chǐ）寸精度，孔的加（jiā）工采用如下加工方法：先用加長鑽頭粗鑽孔，並用平底（dǐ）鑽頭擴孔至φ40 mm，然後（hòu）精鏜孔至尺寸φ41.8 mm，最後磨孔至最終尺寸，工藝路線見圖（tú）2所（suǒ）示。由於孔車削為深（shēn）孔加工，加工難度較大，因此孔與孔口（kǒu）各尺寸（包括螺紋）不宜一次（cì）裝夾（jiá）加工（gōng），因此采用工序分散（sàn）的工藝路線。在加工孔及螺紋時，由（yóu）於（yú）零件懸出過長，剛（gāng）性較差，加（jiā）工時用中心架進行輔助支撐定位（wèi），磨削深盲孔時也采用（yòng）卡盤夾緊，需每件找正右端中心架輔助定位的裝夾方式，可以較好地（dì）解決零件剛性差（chà）的（de）問題，提高加工質量。

圖2 工藝（yì）路線

3、車削（xuē）加（jiā）工

3.1加工前技術準備

氣缸主要（yào）加工工序為數控車削φ42孔至尺寸φ41.8（半精加（jiā）工）、孔口螺紋車削加工以及磨削φ42孔（kǒng）（精加工），φ42孔半精加工及精加工工序屬深孔、盲孔加工，這幾（jǐ）道主（zhǔ）要工（gōng）序車削（xuē）時，氣缸處（chù）於懸伸狀態，尾端用中心架輔助支撐，避免零件在懸（xuán）伸過長時，造成剛性下降，在切削過程中引起零件變形（xíng），發生切（qiē）削振動。

刀具在切削工件時發（fā）生振動需要有下麵（miàn）三個條件同時存在：①包括刀具在（zài）內的工藝係統剛性不足，導致其固有頻率低；②切（qiē）削產生了一個足（zú）夠大的外激力（lì）；③這個外激力的頻率（lǜ）與工藝係統的固有頻率（lǜ）相（xiàng）同，產生共振。可以從四個方麵考慮減振：①降低（dī）切削力；②提高（gāo）工藝係統剛（gāng）性；③提高刀具係統的剛性；④刀具減（jiǎn）振即使用減振刀（dāo）具。

（1）孔加工工序。

a、刀片的選擇。

本（běn）工序為內孔加工，在（zài）選擇刀片（piàn）時首先選擇刀片形狀，根據刀片形（xíng）狀（刀片可以分為（wéi）S型、C型（xíng）、D型、V型刀片如下圖（tú）3所）可知刀尖角越（yuè）小，切削力越小，刀具強度越差，為了減（jiǎn）小切削力，本工序選擇V型刀片。

圖3 刀具（jù）形狀示意（yì）簡圖

然後，合理選擇刀片的前角，適當的增大前角，能減少切削變形和（hé）摩擦，從而將低切削力、切削溫度，改善加工質量，抑製積屑瘤（liú）等。但前角過大會削（xuē）弱刀刃的（de）強度和散熱能力（lì），易造成崩刃，選擇18°前（qián）角。

b、刀杆的選擇。

選擇刀杆首要考慮的是刀杆剛性，盡量加大（dà）刀杆直（zhí）徑，由於氣缸孔徑φ41.8 mm，選擇直（zhí）徑為φ32 mm的刀（dāo）杆，可加工最小孔徑為φ40 mm。選擇刀杆時，還要考慮主（zhǔ）偏角的選擇，刀杆主偏角越接近90°，徑向（xiàng）切削力越小，切削時越（yuè）不容易產生切削振動。這裏選擇S32T SVQCR-16刀（dāo）杆，主偏角107.5°。

c、參數（shù）設置。

d、加工工步細化。

由於該孔為平底孔，且刀杆直徑大於孔（kǒng）直（zhí）徑的的一半，刀具無法（fǎ）過（guò）中（zhōng）心，因此無法完（wán）成對孔底的加工，如圖4所示（shì）。當刀（dāo）具沿零件徑向移動到最大範圍時，刀（dāo）具刀尖仍然無法對（duì）孔底進行完全切削。

為了解決這個問題，需（xū）要細化工藝路線，采取孔底與（yǔ）孔徑分開加工的方法，首先加工φ41.8孔時，在距孔底（dǐ）2 mm範圍內不加工，距孔底2 mm範圍內用另一把刀具加工。加工孔時所用刀具刀杆直徑（jìng）為φ32，加工孔底所用刀具刀杆直徑（jìng）為φ25，因此加工時可以順利的加工孔底部端（duān）麵（miàn），而不會產生幹涉。由於孔底部加工範圍較小，去（qù）除餘量也小，因此切削力小，不易產生振動。

（2）螺紋加工工序。

內螺紋采用（yòng）數控（kòng）車削加工，選擇塗層刀片。螺紋車削進刀方式（shì）有兩種，一種為直進切入法和單（dān）向（xiàng）切入法。

a、直進切入法（fǎ）。如圖5所示，切（qiē）削時左右刀刃同（tóng）時切削、產生的V形鐵屑（xiè）作用於切削刃口會引起（qǐ）彎曲力較大。加工時要（yào）求切深小（xiǎo），刀刃（rèn）鋒利。適用於一般的螺紋切削，常用於螺距4 mm以下的螺紋切削。

b、單向切入法。圖6所示，此切人法切削刃（rèn）承受（shòu）的彎曲壓（yā）力小，狀態較穩定，成屑（xiè）形（xíng）狀較為有利，切深（shēn）較大，側向進刀時，齒間有足夠空間排出切屑（xiè）。常用於加工螺距4 mm以上的不鏽（xiù）鋼等難加工材料或剛（gāng）性低易振動（dòng）的工件的螺紋。

程序編製（zhì）采用固定螺紋循環編程，螺紋編程指令有G32、G76、G92，一般螺（luó）紋常用G92編（biān）程，G92編程采用的進刀方式為直進切入法。

3.2 實際加工時出現的問題及解決措施

（1）孔加工。

a、加工時存在問題。

在試切（qiē）削過程中，仍（réng）然（rán）出（chū）現了切削振（zhèn）動的現象，孔表（biǎo）麵局（jú）部有振刀紋。具（jù）體現象為：當零件加工軸向長度為（30～40）mm時（shí），開始振刀，且振刀（dāo）紋路逐漸加深。零（líng）件孔內有大量切屑不能及時排出，將刀具退出後，有切屑纏（chán）繞在刀尖處。根（gēn）據這種現象分析，切屑纏繞在刀具上，尤其是刀尖部位，會阻（zǔ）礙刀具的切削運動，影響刀具的鋒利程（chéng）度（dù），從而增加切削力，產生切削振動。

b、解決措施。

要保證刀具鋒利，減少切削力，減小振動（dòng），就要保證切屑的順利排出，要想讓切削自然排出，就必須有足夠的排屑空間，受零件（jiàn）結（jié）構限製，自然排屑比較困（kùn）難（nán），簡單（dān）有效（xiào）的解決辦法就是（shì）及時地手動排屑，也就是每（měi）加工一定的範圍（wéi），暫停加工，將刀具退出（chū）零件，手動排屑。手動排（pái）屑雖然操作起來比較簡單，但是比較耗時，加工效率低下。因此，需要（yào）合理的安排手動排屑的次數，既要保證加（jiā）工質量，又要保證加工效率。通過試驗對比，每加（jiā）工（50～80） mm時，退一次刀，清理切屑，無振刀現象，零件表麵加工（gōng）質量良好，又能保證加工效率。精加工（gōng）時也采取上述方案（àn），分段加工（gōng），每加工一段（duàn）就暫停程序，清理孔內切屑，待清理幹淨後，再進行下段加工。按上述要求進（jìn）行加（jiā）工，車削時未出現振刀現象，加工質量良好，尺寸符合工藝要求，孔表麵粗糙度也符合要求，無振刀紋出（chū）現。

（2）螺紋加（jiā）工。

a、存在問題及原因分析。

加工螺紋時同樣（yàng）出現了振刀及零件表（biǎo）麵質量差的現象，究其原因應是零件（jiàn）剛性不足，加工時采用左端卡盤裝夾定位，右端中心架輔助定位。采用中心架輔助定位時，可以在一定程度（dù）上提高零件剛性，但由於受力不均，仍然不能承受過大切削力，因為（wéi）中心架定位時（shí）會試圖使中心架（jià）中心與零件中心重合，但在實際加（jiā）工過程中不可避免的存在誤差（chà），呈現偏心狀態（如圖 7所示），如（rú）果零件受力過大，容易（yì）使零件變形，產生振動。

b、解決措施。

為了減小切削力，消除振動，可從采取的進刀方式以及切（qiē）削參（cān）數進行調整，首先對車削螺紋的程序進行（háng）分析（xī），數控加工中，程序（xù）的編製是否（fǒu）合理，直接影（yǐng）響零件的加工質量。該程序采用G92固定循環編程。螺紋加工（gōng）的三個指令（lìng）都各有優缺點。G32編程時（shí），為了方便編程，一般采用直進式切削方法。由於（yú）兩（liǎng）側刃（rèn）同（tóng）時工作，切削力較大，而且排屑困難，因此在切削時，兩切削刃容（róng）易磨損。在切削螺距較大的螺紋時，由於切削深度較大，刀刃磨損較快，從而造成螺紋中徑產生誤差；但是其加工的牙型精度較高，因此一般多用於小螺距螺紋的加工。

由於其刀具移（yí）動、切削均靠編程來完成，所以加工程序較長；由（yóu）於刀刃（rèn）容易磨損，所以加工時要做到勤（qín）測量。G92固定循環的（de）進刀方（fāng）式（shì）也是直進式，其加工效果與G32類似，切削力較大。G76螺紋切削複合循（xún）環，一般（bān）采用斜進式切削方（fāng）法如圖（tú）7所示。由於為單側刃加工，加工刀（dāo）刃容易損傷（shāng）和磨損，使加（jiā）工的螺紋麵不直，刀尖角發生（shēng）變（biàn）化，造成牙型精（jīng）度較差。但由於其為單側刃工作，刀（dāo）具負載較小（xiǎo），排屑容易（yì），並且切削深度為遞減式，因此此（cǐ）加工方（fāng）法可以較好（hǎo）的解決振動的（de）問題。

因此，若將原來的G92固定循環改為G76複合循環，應能（néng）較好的解決振動問題，G76循環中參數設置為最小切（qiē）深為0.05mm，機床轉速調整為400 rpm，切削運動平穩，加（jiā）工質量（liàng）良好。

4、磨削加工

4.1 磨削加工難（nán）點（diǎn）

15-5PH材（cái）料導熱（rè）性差，具有韌、軟、粘等特性，磨削中切削阻（zǔ）力大，冷卻液（yè）不易加注（zhù）噴射到加工表麵時，磨屑及（jí）磨粒不能被及時衝走，磨輪與工件徑向與軸向接觸間的磨削區域產（chǎn）生的瞬間磨削熱不能（néng）迅速傳（chuán）遞（dì）擴（kuò）散（sàn）；另外，材料的線（xiàn）膨脹係數高，砂輪的磨削鋒刃極易（yì）被磨屑粘（zhān）堵，致使（shǐ）砂輪的“自（zì）銳性”顯（xiǎn）得很差，零件表麵粗糙度不易保證。

4.2 加工對策

（1）砂（shā）輪的選用。單晶剛玉磨料具有良好的（de）多棱切刃，並有較高的硬度及（jí）韌性，磨削時（shí）磨屑相對白剛（gāng）玉磨粒不易粘堵（dǔ），利（lì）於改善磨削過程中的材料不利因素，增強工藝性，減小磨削熱、材（cái）料熱（rè）膨脹中的加工變形、尺寸不穩等缺陷（xiàn），並提高（gāo）生產效率，降低表麵粗糙度，因此選用單晶（jīng）剛（gāng）玉磨料，具體選用牌號如下：P 40×40×16 SA 120 L

（2）砂輪的修整。磨削過（guò）程中砂輪極易被磨屑粘堵（dǔ）變鈍，會使加工表麵（miàn）產生直線度、圓柱度、尺寸不穩誤差以及磨削（xuē）波紋、磨削劃痕、磨削噪音等加工缺陷，因（yīn）此必須及時正確修整砂輪，保持砂輪（lún）切削（xuē）時的微刃等高性能和鋒利棱角，以利於磨削過程順利進行。

（3）確定合理的（de）磨（mó）削方法。磨（mó）削分粗精（jīng）磨進行加工，粗磨去除（chú）總餘量的9/10，即0.18 mm左右，精磨去除0.02 mm左右的餘量。精磨後要進行光整加工，光整加工可以起到對孔中（zhōng）局部點或（huò）段的修整，使得整個孔的精度都（dōu）能達（dá）到設計（jì）要求。

（4）零件的充分冷卻。加工中除利用φ20小孔按常規法加注冷卻液外，還需對冷卻（què）裝置予以改製，改製的措施是：在原外圓磨具的冷卻噴嘴處，重新裝置蛇形金屬軟管，並固緊與磨頭座部位使之與磨頭（tóu）砂輪一起往複運動，冷卻液有效澆注噴射於磨削區域（yù），及時衝刷磨屑、磨粒，改善散（sàn）熱條件，降低磨削溫度，減少加工變形（xíng），穩定尺寸。

4.3 磨（mó）削效果

按（àn）上（shàng）述的注意事項進行磨削，零件的各項技術指標、尺寸精度可以滿足設計要求，尺寸（cùn）穩定。

5、結論

通過理（lǐ）論分（fèn）析以及小批量零件試製，對於（yú）氣缸類深孔加工可（kě）以通過粗鑽、半精車、磨削的加（jiā）工工藝路線進行加工，加工（gōng）時（shí）隻要做到選（xuǎn）擇合適的車（chē）削（xuē）刀具、磨具，設（shè）置合理的車削、磨削（xuē）參數，並配合及時有效（xiào）的排屑、冷卻，就可（kě）以（yǐ）保證零件的加工質量（liàng），滿足設計意圖。螺紋加工（gōng）要選擇合理的進刀方式，采用合理的數控程序編製方法，設置合理的切削參數。通過（guò）本文的分析，為以後該類零件的加工提供了經驗。

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