大型薄壁液压缸筒数控加工技术

许军锋 申国庆 曹媛媛 肖丽媛 端学东 原海芳 俞 飞



大型薄壁液压缸筒数控加工技术

许军锋 申国庆 曹媛媛 肖丽媛 端学东 原海芳 俞 飞

（山西航天清华装备有限责任公司，长治 046012）

针对薄壁液压缸筒数控加工过程中的重点及难点，分别从加工方法、切削参数优化、刀具选择、装夹方式、设备选择、变形控制等方面，对三类典型零件特征的加工过程进行了深入系统的分析，并分别提出了解决措施。经实际加工验证，有效消除了加工颤动现象，提高了刀具耐用度，保证了零件的表面质量及精度要求。

薄壁缸筒；数控加工；精度控制；质量

1 引言

缸筒的内径与壁厚比/≥16为薄壁缸筒[1]。航天各型号中的起竖液压缸的各级缸筒大多为薄壁缸筒。起竖液压缸是各型号产品中的关键零部件，其性能直接影响整个系统性能和安全。缸筒结构如图1所示，其尺寸精度、粗糙度及形位公差要求较高。

图1 缸筒二维结构示意图

薄壁缸筒在加工过程中易变形，加工精度比较难控制，给数控加工带来很大难度[2]，本文主要从加工方法、切削参数优化、刀具选择、装夹方式、设备选择、变形控制等方面，对三类典型零件特征的加工过程进行了深入系统的分析，并制定了具体的加工方案。

2 技术方案

加工特征主要有：外槽、内槽、台阶面、螺纹等,壁厚一般约为10mm,外宽槽宽度约为25mm，深槽的单边深度一般约为8～10mm。

缸筒的主要工艺流程：粗车—粗镗内孔—热处理—粗车—精镗内孔—半精车—精磨内孔—精车—磨外圆—抛光。

该类零件在加工过程中，主要有以下难点和重点问题：

a. 缸筒的圆柱度要求为0.05mm以内，不易保证，需对加工过程进一步优化完善；

b. 内外槽的粗糙度要求为a1.6μm，不易保证，需对加工方法、刀具切削参数及数控加工的刀路轨迹进行优化完善；

c. 各级缸筒为长径比比较大的薄壁缸筒、在车削外圆时，容易发颤，影响加工质量，需采取防颤措施，并对数控加工轨迹进行优化完善；

d. 为保证内孔的形位公差要求，在磨削内孔时，基准带的圆度应小于0.01mm，需对基准带的加工方法进行优化完善。

2.1 数控设备、刀具的选择及加工参数

为保证零件的加工精度，减少加工颤动现象，提高刀具的耐用度，对相关设备及工艺装备提出了更高的要求：数控设备的径向及轴向跳动量应小于0.01mm，及向行程应能满足零件的加工要求；中心支架的径向跳动量应小于0.003mm，顶尖的径向跳动量应小于0.01mm。

内外圆粗车刀尖角圆弧建议选用0.8mm，精车刀尖圆弧半径建议选用0.4mm；精车槽刀建议选用3mm宽刀片[3]，结合加工实际，并依据相关刀具样本，选用合适的槽型。工件的调质硬度一般为HRC28～32，经实际验证，加工参数选择如下：

粗车内外圆参数：=110～118m/min，=0.22～0.25mm/r，a=2～3mm；

精车内外圆参数：=110～118m/min，=0.1～0.12mm/r，a=0.25mm；

粗精车内外槽参数：=90～100m/min，=0.08～0.1mm/r。

图2 专用的定制刀杆

在加工内孔时，刀具容易颤动，为提高内孔刀具刚性，需定制一些刀杆，然后把刀具安装在刀杆上，如图2所示。

2.2 坐标系的选择要求

加工坐标系的选择注意遵循以下原则：

a. 坐标原点的选择尽量与设计基准、工艺基准重合；

b. 坐标原点的选择应便于数值计算；

c. 坐标原点应选在容易找正、对刀，并在加工过程中便于检查的位置；

d. 粗加工零点，分别选择两端面中心位置；

e. 半精及精车在加工两端内圆时，主要选在端面中心位置；两顶加工外圆时，为方便对刀，坐标零点可以设置在图3所示外圆根部位置。

图3 坐标位置示意图

2.3 典型特征加工方法

2.3.1 槽加工

缸筒中的槽主要有内圆槽及外圆槽两种，槽底及槽壁的粗糙度值一般为a1.6μm。加工时，需依据其加工精度并结合相关粗糙度要求，制定具体的加工方案，一般要求如下：对于螺纹退刀槽、越程槽及通油槽等技术要求不高的，可以在半精车时，一次加工成形；对于要求高的密封槽，在加工时，需分粗车、半精车及精车等工步。粗车时，槽壁留余量1mm，槽底留余量0.5mm；半精车及精车时，为保证切削力保持基本恒定，进给速度应换算为轮廓速度。

槽粗加工时，可以使用交替分层方法进行连续车削加工，每层首次切削加工时，将进给量相应降低约25%，若断屑效果不好，则采用断续加工。在加工浅宽槽时，先用菱形刀进行半精及精车槽壁和槽底，然后使用槽刀或者菱形刀反向接刀，如图4所示。

图4 宽槽半精车及精车刀路轨迹示意图

窄深槽加工时，先精车槽壁，然后半精车槽底，最后光整槽壁，并精车槽底，如图5所示。

图5 窄槽半精车及精车轨迹示意图

2.3.2 螺纹特征的加工

缸筒中所包含的螺纹特征一般为公制螺纹，牙型角为60°。内、外圆螺纹的加工质量对后续装配影响较大，其牙型尖棱处应倒钝处理。在满足技术要求的前提下，可以选用多种加工方法，具体要求及方法如下：

a. 加工螺纹时，可以使用单一螺纹循环指令G92或者复合螺纹循环指令G76编程。首刀加工深度一般不超过0.6mm，并逐渐递减，并依据实际情况，增加精加工刀路或者光整加工刀路。

b. 加工时，建议选用定螺距刀具，由于内外牙型不同，内外定螺距刀片不可混用。

c. 螺纹加工完成后，应使用菱形刀具，沿牙顶至牙底，去除毛刺飞边，径向加工余量约为0.1～0.15mm，或者使用槽刀，车去约1/6圈螺纹，具体应根据其螺距大小而定。

d. 螺纹倒角一般为45°，若后续工序需要使用，则应加工为30°，且其大小应超过螺纹底径，具体情况还应符合相关工艺技术要求。

e. 螺纹的加工方法主要有三种：直进法、斜进法、左右交替加工法，如图6所示。直进法适合加工螺距小于3mm的螺纹，G92、G33指令为直进法加工螺纹；较大螺距的螺纹加工，可以选用斜进法，G76指令即为斜进法加工螺纹；另外，对于薄壁零件中的螺纹，为减少加工颤动现象，选用交替分层加工，且需编制专门的加工宏程序。使用此方法，可实现恒切深加工，且切宽基本恒定，在加工过程中，可有效降低切削力，保持连续稳态加工，刀具寿命较高，加工质量容易保证。

图6 螺纹车削方法

2.3.3 基准带加工

在缸筒加工时，需反复精修基准带，基准带的加工精度，会影响后续工序的加工质量，基准带如图7所示。

图7 基准带示意图

基准的加工方法主要有以下几种：

a. 精度要求不高的基准带，可以采用一夹一顶方式直接加工成形，比如用于深孔镗工序中的基准带加工。

b. 精度要求高的基准带，可以采用两顶方式加工，具体过程：先在靠近主轴一侧加工一条基准，然后掉头，在主轴一侧加工另一条基准带，并进行精确测量。

c. 在能满足加工精度的情况下，精度高的基准带，也可采用一夹一顶的方式加工。加工时，应把尾座的压力适当调小，一般约为1MPa，并依据实际设备情况进行适当调整。

2.3.4 其它注意事项

a. 精镗完成后，先接刀，若所镗内孔中心轴线偏差超过0.25mm，应选择四个均布的点，并在相应位置标出具体偏差值，然后在主轴端重新精修外圆基准带；

b. 在两顶精车外圆时，为减少加工颤动现象，缸筒内壁可适当填充棉纱等，并用圆形PE板进行封堵，或者在内壁支撑减振工装。

c. 在加工槽时，容易出现颤动现象，解决的主要的措施：一是选择合适的刀具及加工参数，另一方面可以通过不断调整转速的方法，减少颤动现象。

3 加工效果

表1 加工效果对比表

通过上述综合技术改进，螺纹、槽及基准带的加工精度得到明显提升。采用交替分层法加工螺纹，基本消除了加工过程的颤动现象，有效控制了加工变形。对槽壁进行光整加工，消除了槽宽带梢现象，具体效果如表1所示。

4 结束语

通过对相关特征加工方法的优化完善，对刀具、工艺装备、切削参数的优化选择等，进一步提升了产品的加工质量，保证了产品的技术要求，为相似产品的加工提供了成功范例，具有很好的推广价值。

1 王威. 薄壁缸筒挤压稳态加工技术研究[J]．航天制造技术[J]，2016(3)：51～55

2 胡增荣. 浅论薄壁液压缸筒精加工夹紧变形问题[J]．精密机械与制造，2010(3)：53～55

3 刘献礼，岳彩旭，翟元盛，等. 数控刀具选用指南[M]．北京：机械工业出版社，2014

NC Machining Technology of Large Thin-walled Cylinder

Xu Junfeng Shen Guoqing Cao Yuanyuan Xiao Liyuan Duan Xuedong Yuan Haifang Yu Fei

(Shanxi Aerospace Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046012)

Aiming at the key and difficult points in the process of NC machining, the processing process of three kinds of typical parts is analyzed in depth and systematically from the aspects of processing method, cutting parameter optimization, tool selection, clamping mode, equipment selection, deformation control and so on. The solving measures are put forward separately. The actual processing proves that the chattering phenomenon is effectively eliminated. The tool durability is improved, and the surface quality and accuracy requirements of the parts are guaranteed.

thin-walled cylinder；NC machining；accuracy control；quality

许军锋（1978），高级工程师，数控技术及应用专业；研究方向：数控编程、仿真及复杂零件数字化制造。

2019-02-27