气缸零件加工工艺研究
2018-3-23 来源：中国空空导弹研究院 作者：王国峰
本文通过对影响气缸加工质量的原因进行分析，讨论了在机械加工过程中引起这些原因的要素及解决办法，对深孔加工及孔口螺纹加工引起质量问题的现象，包括振刀、加工表面质量差等，从刀具的选用、参数设定、及时排屑方面做了具体分析说明，得出适合的加工条件及合理的加工方法。
1、零件技术难度分析
1.1 零件材料难加工
气缸材料为15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢，该钢在时效过程中析出碳化物和金属间化合物产生沉淀硬化，具有很高的强度和综合力学性能。15-5PH韧性大，易产生粘附现象，形成积屑瘤，表面加工硬化现象尤为突出，不易断屑，对刀片的材质和槽型提出很高的要求。另外，零件内孔尺寸及表面粗糙度要求非常高，零件刚性相对较差，加工难度大。
1.1 深孔加工难度大
零件主体结构为深孔结构，该孔深径比超过5，刀杆细长，刀具刚度低，并且刀杆直径与孔径差别较小，刀具与零件孔间间隙很小，不利于排屑，刀具刚度及排屑问题是影响加工质量的两个重要因素。
1.3 尺寸、行位公差要求高
1.4 零件刚性差
由于零件的左端有一处凸台，该凸台的存在为零件的装夹带来了极大的不便，在加工零件的右端时，只能夹持零件凸台左端，使零件右端悬出过长，影响零件刚度，从而影响零件孔口螺纹的加工质量。
图1 零件结构示意图
2、拟定工艺方案
零件加工采用粗加工、半精加工、精加工的思路。针对孔的结构以及尺寸精度，孔的加工采用如下加工方法：先用加长钻头粗钻孔，并用平底钻头扩孔至φ40 mm，然后精镗孔至尺寸φ41.8 mm，最后磨孔至最终尺寸，工艺路线见图2所示。由于孔车削为深孔加工，加工难度较大，因此孔与孔口各尺寸（包括螺纹）不宜一次装夹加工，因此采用工序分散的工艺路线。在加工孔及螺纹时，由于零件悬出过长，刚性较差，加工时用中心架进行辅助支撑定位，磨削深盲孔时也采用卡盘夹紧，需每件找正右端中心架辅助定位的装夹方式，可以较好地解决零件刚性差的问题，提高加工质量。
图2 工艺路线
3、车削加工
3.1加工前技术准备
气缸主要加工工序为数控车削φ42孔至尺寸φ41.8（半精加工）、孔口螺纹车削加工以及磨削φ42孔（精加工），φ42孔半精加工及精加工工序属深孔、盲孔加工，这几道主要工序车削时，气缸处于悬伸状态，尾端用中心架辅助支撑，避免零件在悬伸过长时，造成刚性下降，在切削过程中引起零件变形，发生切削振动。
刀具 在切削工件时发生振动需要有下面三个条件同时存在：①包括刀具 在内的工艺系统刚性不足，导致其固有频率低；②切削产生了一个足够大的外激力；③这个外激力的频率与工艺系统的固有频率相同，产生共振。可以从四个方面考虑减振：①降低切削力；②提高工艺系统刚性；③提高刀具系统的刚性；④刀具减振即使用减振刀具。
（1）孔加工工序。
a、刀片的选择。
本工序为内孔加工，在选择刀片时首先选择刀片形状，根据刀片形状（刀片可以分为S型、C型、D型、V型刀片如下图3所）可知刀尖角越小，切削力越小，刀具强度越差，为了减小切削力，本工序选择V型刀片。
图3 刀具 形状示意简图
然后，合理选择刀片的前角，适当的增大前角 ，能减少切削变形和摩擦，从而将低切削力、切削温度，改善加工质量，抑制积屑瘤等。但前角过大会削弱刀刃的强度和散热能力，易造成崩刃，选择18°前角。
b、刀杆的选择。
选择刀杆首要考虑的是刀杆刚性，尽量加大刀杆直径，由于气缸孔径φ41.8 mm，选择直径为φ32 mm的刀杆，可加工最小孔径为φ40 mm。选择刀杆时，还要考虑主偏角的选择，刀杆主偏角越接近90°，径向切削力越小，切削时越不容易产生切削振动。这里选择S32T SVQCR-16刀杆，主偏角107.5°。
c、参数设置。
d、加工工步细化。
由于该孔为平底孔，且刀杆直径大于孔直径的的一半，刀具无法过中心，因此无法完成对孔底的加工，如图4所示。当刀具沿零件径向移动到最大范围时，刀具刀尖仍然无法对孔底进行完全切削。
为了解决这个问题，需要细化工艺路线，采取孔底与孔径分开加工的方法，首先加工φ41.8孔时，在距孔底2 mm范围内不加工，距孔底2 mm范围内用另一把刀具加工。加工孔时所用刀具刀杆直径为φ32，加工孔底所用刀具刀杆直径为φ25，因此加工时可以顺利的加工孔底部端面，而不会产生干涉。由于孔底部加工范围较小，去除余量也小，因此切削力小，不易产生振动。
（2）螺纹加工工序。
内螺纹采用数控车削加工，选择涂层刀片。螺纹车削进刀方式有两种，一种为直进切入法和单向切入法。
a、直进切入法。如图5所示，切削时左右刀刃同时切削、产生的V形铁屑作用于切削刃口会引起弯曲力较大。加工时要求切深小，刀刃锋利。适用于一般的螺纹切削，常用于螺距4 mm以下的螺纹切削 。
b、单向切入法。图6所示，此切人法切削刃承受的弯曲压力小，状态较稳定，成屑形状较为有利，切深较大，侧向进刀时，齿间有足够空间排出切屑。常用于加工螺距4 mm以上的不锈钢等难加工材料或刚性低易振动的工件的螺纹 。
程序编制采用固定螺纹循环编程，螺纹编程指令有G32、G76、G92，一般螺纹常用G92编程，G92编程采用的进刀方式为直进切入法。
3.2 实际加工时出现的问题及解决措施
（1）孔加工。
a、加工时存在问题。
在试切削过程中，仍然出现了切削振动的现象，孔表面局部有振刀纹。具体现象为：当零件加工轴向长度为（30～40）mm时，开始振刀，且振刀纹路逐渐加深。零件孔内有大量切屑不能及时排出，将刀具退出后，有切屑缠绕在刀尖处。根据这种现象分析，切屑缠绕在刀具上，尤其是刀尖部位，会阻碍刀具的切削运动，影响刀具的锋利程度，从而增加切削力，产生切削振动。
b、解决措施。
要保证刀具锋利，减少切削力，减小振动，就要保证切屑的顺利排出，要想让切削自然排出，就必须有足够的排屑空间，受零件结构限制，自然排屑比较困难，简单有效的解决办法就是及时地手动排屑，也就是每加工一定的范围，暂停加工，将刀具退出零件，手动排屑。手动排屑虽然操作起来比较简单，但是比较耗时，加工效率低下。因此，需要合理的安排手动排屑的次数，既要保证加工质量，又要保证加工效率。通过试验对比，每加工（50～80） mm时，退一次刀，清理切屑，无振刀现象，零件表面加工质量良好，又能保证加工效率。精加工时也采取上述方案，分段加工，每加工一段就暂停程序，清理孔内切屑，待清理干净后，再进行下段加工。按上述要求进行加工，车削时未出现振刀现象，加工质量良好，尺寸符合工艺要求，孔表面粗糙度也符合要求，无振刀纹出现。
（2）螺纹加工。
a、存在问题及原因分析。
加工螺纹时同样出现了振刀及零件表面质量差的现象，究其原因应是零件刚性不足，加工时采用左端卡盘装夹定位，右端中心架辅助定位。采用中心架辅助定位时，可以在一定程度上提高零件刚性，但由于受力不均，仍然不能承受过大切削力，因为中心架定位时会试图使中心架中心与零件中心重合，但在实际加工过程中不可避免的存在误 差 ， 呈 现 偏 心 状 态 （ 如 图 7所示），如果零件受力过大，容易使零件变形，产生振动。
b、解决措施。
为了减小切削力，消除振动，可从采取的进刀方式以及切削参数进行调整，首先对车削螺纹的程序进行分析，数控加工中，程序的编制是否合理，直接影响零件的加工质量。该程序采用G92固定循环编程。螺纹加工的三个指令都各有优缺点。G32编程时，为了方便编程，一般采用直进式切削方法。由于两侧刃同时工作，切削力较大，而且排屑困难，因此在切削时，两切削刃容易磨损。在切削螺距较大的螺纹时，由于切削深度较大，刀刃磨损较快，从而造成螺纹中径产生误差；但是其加工的牙型精度较高，因此一般多用于小螺距螺纹的加工。
由于其刀具移动、切削均靠编程来完成，所以加工程序较长；由于刀刃容易磨损，所以加工时要做到勤测量 。G92固定循环的进刀方式也是直进式，其加工效果与G32类似，切削力较大。G76螺纹切削复合循环，一般采用斜进式切削方法如图7所示。由于为单侧刃加工，加工刀刃容易损伤和磨损，使加工的螺纹面不直，刀尖角发生变化，造成牙型精度较差。但由于其为单侧刃工作，刀具负载较小，排屑容易，并且切削深度为递减式，因此此加工方法可以较好的解决振动的问题 。
因此，若将原来的G92固定循环改为G76复合循环，应能较好的解决振动问题，G76循环中参数设置为最小切深为0.05mm，机床转速调整为400 rpm，切削运动平稳，加工质量良好。
4、磨削加工
4.1 磨削加工难点
15-5PH材料导热性差，具有韧、软、粘等特性，磨削中切削阻力大，冷却液不易加注喷射到加工表面时，磨屑及磨粒不能被及时冲走，磨轮与工件径向与轴向接触间的磨削区域产生的瞬间磨削热不能迅速传递扩散；另外，材料的线膨胀系数高，砂轮的磨削锋刃极易被磨屑粘堵，致使砂轮的“自锐性”显得很差，零件表面粗糙度不易保证。
4.2 加工对策
（1） 砂轮的选用。单晶刚玉磨料具有良好的多棱切刃，并有较高的硬度及韧性，磨削时磨屑相对白刚玉磨粒不易粘堵，利于改善磨削过程中的材料不利因素，增强工艺性，减小磨削热、材料热膨胀中的加工变形、尺寸不稳等缺陷，并提高生产效率，降低表面粗糙度，因此选用单晶刚玉磨料，具体选用牌号如下：P 40×40×16 SA 120 L
（2） 砂轮的修整。磨削过程中砂轮极易被磨屑粘堵变钝，会使加工表面产生直线度、圆柱度、尺寸不稳误差以及磨削波纹、磨削划痕、磨削噪音等加工缺陷，因此必须及时正确修整砂轮，保持砂轮切削时的微刃等高性能和锋利棱角，以利于磨削过程顺利进行。
（3） 确定合理的磨削方法。磨削分粗精磨进行加工，粗磨去除总余量的9/10，即0.18 mm左右，精磨去除0.02 mm左右的余量。精磨后要进行光整加工，光整加工可以起到对孔中局部点或段的修整，使得整个孔的精度都能达到设计要求。
（4） 零件的充分冷却。加工中除利用φ20小孔按常规法加注冷却液外，还需对冷却装置予以改制，改制的措施是：在原外圆磨具的冷却喷嘴处，重新装置蛇形金属软管，并固紧与磨头座部位使之与磨头砂轮一起往复运动，冷却液有效浇注喷射于磨削区域，及时冲刷磨屑、磨粒，改善散热条件，降低磨削温度，减少加工变形，稳定尺寸。
4.3 磨削效果
按上述的注意事项进行磨削，零件的各项技术指标、尺寸精度可以满足设计要求，尺寸稳定。
5、结论
通过理论分析以及小批量零件试制，对于气缸类深孔加工可以通过粗钻、半精车、磨削的加工工艺路线进行加工，加工时只要做到选择合适的车削刀具、磨具，设置合理的车削、磨削参数，并配合及时有效的排屑、冷却，就可以保证零件的加工质量，满足设计意图。螺纹加工要选择合理的进刀方式，采用合理的数控程序编制方法，设置合理的切削参数。通过本文的分析，为以后该类零件的加工提供了经验。
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