压路机零件同轴孔加工中存在的问题与对策

2013-12-14周文

机床与液压 2013年10期

周文

( 南通纺织职业技术学院机电系，江苏南通226007)

同轴孔是机械加工中常见的加工表面。对于长度较小的长孔或相距较近的孔，通常是从一端镗进，正常情况下，这是一种经济适用的孔加工方法。但对于长径比大或零件两端相距较远的孔而言，采用此法时，由于镗杆易于变形而造成孔的尺寸和形位精度超差［1］，同时加工效率也比较低。为解决相距较远的同轴孔加工中存在的这些问题，从高速加工角度出发，对其加工工艺设计和切削参数的选择进行了探讨。

1 同轴孔常用镗孔工艺方案的不足与高速调头镗孔工艺对策

1.1 同轴孔加工要求与调头镗孔工艺处理

图1 为某机械产品振动轮铰接架的结构示意图。该零件的功能主要是在压路机正常工作时控制振动轮的转向。零件的主要加工面为相距400 mm 的的同轴孔的加工，要求两孔的同轴度为φ0.050，且两孔的尺寸精度要求较高，相当于长孔的加工。

图1 铰接架零件结构示意图

大批量生产条件下，一般在专用卧式双面镗床上完成此两孔的加工，其优点是加工效率比较高，但在多品种中小批量生产条件下，采用专用机床的成本比较高，产品转型困难，必须考虑其他方法。调头镗孔是指工件不动而随机床工作台回转180°的镗孔方法，刀具分别从两端进给，变长孔加工为短孔加工，具有简化操作、节省夹具、辅具费用等优势，因而在铰接架同轴孔的加工中仍然采用调头镗孔的加工方法。

1.2 调头镗孔工艺存在的问题与高速调头镗孔对策

由于调头镗孔工艺的特殊性，孔的加工精度主要取决于机床和刀具的精度，机床本身存在回转精度不足、进刀运动的直线度误差和工作台回转时的移动误差等问题［2］。如果采用普通机床加工，必然提高对操作工人的技术要求，加工中不易保证质量;同时，调头镗孔效率较低，不利于降低成本，为克服这些不足，还需从工艺方法和设备选型上采取措施［3］。针对上述问题，在设计铰接架零件同轴孔的镗孔工艺时，选用具有较高回转精度和重复定位精度的高速卧式加工中心，采用高速调头镗孔工艺，同时改进镗刀杆的结构形式，提高工艺系统的刚度。

2 高速调头镗孔时孔同轴度精度控制

2.1 影响镗孔同轴度的因素

影响零件两端孔同轴度精度的因素有工件材料特性、毛坯残余应力、切削力和切削热及加工工艺路径等［4］。各种因素的影响如图2 所示。

图2 影响铰接架同轴孔同轴度的主要因素

在上述影响因素中，机床工作台回转精度和重复定位精度、刀具的几何角度与刚度及切削用量参数等对加工孔的同轴度精度影响最大。

2.2 同轴度精度控制采取的措施

针对上述影响铰接架同轴度精度的主要因素，分别采取如下一些措施。

(1)控制机床工作台回转精度和重复定位精度

由图1，被加工孔的同轴度精度与尺寸精度要求分别为φ0.050 mm 和0.016 mm，因此选用的高速加工中心的相关精度均应小于这两个数值。在铰接架同轴孔的加工中选用的高速加工中心CWK500D 的工作台回转精度/重复定位精度为0.008 mm/0.005 mm，轴线反向误差值为0.013 mm，回转定位精度±3″，能很好地满足加工要求。

(2)提高工艺系统(主要是刀具系统)的刚度

工艺系统的刚度不够引起的孔的同轴度误差在孔的加工误差中占有很大的比重。这里的工艺系统的刚度主要指刀具刚度，而工艺系统其他要素刚度引起的同轴度误差与刀具刚度引起的误差相比可以忽略。刀具刚度主要包括刀具系统与机床主轴的连接刚度和刀杆的刚度。在刀具系统与机床主轴的连接中，选用HSK 工具系统的刀柄，在高速镗孔时刀具夹紧更可靠，承载能力更强，更有利于充分发挥HSK 工具系统高刚度、高精度的性能［5］，从而提高刀具系统与机床主轴的连接刚度。

由弹性力学理论可知，高速镗孔时，镗杆在主切削力作用下可简化为如图3 所示的悬臂梁，刀具在主切削力作用下产生挠曲变形Y，其值在x =L 时达到最大值，其最大值为:

该值在加工中会附加到孔的同轴度误差中去。由式(1)可知，高速镗孔时两孔的同轴度误差主要取决于刀杆伸出的长度和和刀杆所受的主切削力。高速加工时主切削力远比常规加工要小，因而高速镗孔时由主切削力引起的同轴度相较常规镗孔也要小得多。

图3 高速镗孔时镗杆简化的力学模型

(3)采取合理的冷却方式

高速镗孔过程中会产生大量的切削热，这些热量的大部分会传递给工件，使工件产生热变形。为减少切削热对被加工孔同轴度的影响，在加工过程中采用合理的冷却方式。

3 高速调头镗孔时刀具几何角度与切削用量的选择

3.1 刀具几何参数的选择

在高速镗孔中，对孔的同轴度影响最大的切削力为与镗杆垂直的切深抗力FP，因而刀具几何角度的选择非常重要，不同的加工方法与刀具、工件材料匹配使用的刀具几何角度不同［6］。在刀具几何参数中，刀具前角γ0、主偏角Kr、刃倾角λs和刀尖圆弧半径rε对切深抗力的影响较大。在加工铸铁材料时，当γ0增大时，切削力显著下降，结合其他情况，前角选20°左右最佳;Kr增加时，FP减小，在保证刀具耐用度的前提下，取Kr=93°;刃倾角增大时，FP减小，在保证刀具强度的前提下，λs尽量取小值，取λs=10°;当刀尖圆弧半径在0.25 ～2 mm 范围内变化时，随rε的增大，FP增大，因此γε取值应尽量小，考虑到被加工孔的表面粗糙度要求，可取rε≈0.8 mm。

3.2 切削用量的选择

在切削用量三要素中，在高速加工条件下，随切削速度的增加，切削力减小，当进给量f 达到0.3 mm 时，切削力几乎与切削速度无关［7］。至于切削深度ap与进给量f 对切削速度的影响，根据金属切削理论，其值可由以下经验公式FP≈(0.15 ～0.7)×1 640apf0.84计算。

根据文献［6］的论述，影响切削用量的因素很多，在保证安全性和加工质量的前提下，通过提高切削用量，降低生产成本，提高加工效率，充分发挥机床与刀具的性能，从而获得最大经济效益。根据切削速度、切削深度、进给量对切削力的影响关系，粗加工时可取v =240 ～300 m/min，ap=2.5 ～3 mm，f =0.1 ～0.3 mm/r;精加工时，可取v=520 ～695 m/min，ap=0.1 ～1 mm，f=0.05 ～0.25 mm。