高精度陀螺支架的加工

2020-11-24西安北方光电科技防务有限公司陕西西安710043赵晋强赵宏建

金属加工(冷加工) 2020年11期

■西安北方光电科技防务有限公司（陕西西安 710043）赵晋强韩梅秦刚赵宏建

陀螺支架零件的加工是制造业的一个技术难点。陀螺支架属于高精度零件，零件孔的几何公差要求严格。陀螺支架分为几种类型，其中的薄壁悬空型零件结构如图1所示。该零件加工中产生振动非常严重，切削过程让刀严重，并且让刀方向难确定，致使加工精度难以保证。陀螺支架是整个产品的关键部件之一，其加工质量直接影响产品的装配和使用性能。

图1 薄壁悬空型陀螺支架

1. 陀螺支架的加工难点

公司有几种产品使用陀螺支架类零件。其技术要求为：加工孔同轴度0.01m m，加工端面与孔的垂直度0.01m m，两孔相交线过加工定位基准孔不相交度＜0.02mm。加工面加工孔的表面粗糙度值Ra=0.8μm。

2. 加工中存在的问题

实际加工后零件孔的同轴度为0.01～0.03mm，加工过程中有镗孔镗不圆的现象（主要是铣孔时出现啃刀现象和振动过大造成的），铣面垂直度为0.03mm，表面粗糙度值Ra=1.6μm或更大，无法满足设计及图样要求。

经分析，造成表面粗糙度、垂直度和同轴度超差等的原因如下。

（1）加工应力变形影响加工精度的主要误差源包括机床的几何精度，加工工艺系统的受力变形、热变形与切削力变形，刀具的磨损以及计测误差等。该陀螺支架零件整个切削加工材料去除率达到85%以上，由此可知，在零件的加工过程中会产生相当大的加工应力。加工过程经过两次热处理工艺，半精加工的几个尺寸采用线切割减小零件变形。但经表面处理后的精加工中，由于零件壁厚的降低，零件本身的刚性以及装夹的工艺刚性降低，加工变形增大，非常容易发生切削振颤，严重影响零件加工质量。因此，消除加工变形是保证陀螺支架各项技术要求的首要条件。

（2）工艺路线安排在考虑工艺路线时，需要合理安排粗加工、半精加工、精加工以及时效等去应力工序，去应力是减小零件变形的重要因素之一。人工时效简单快捷，但会有应力残留，且根据多年的加工经验，笔者认为，人工时效对铝合金材料应力释放作用较小；自然时效加长了加工周期，但释放相当彻底，需要综合考虑。精加工工序的余量安排是影响零件加工的重要因素之一，余量过多，会带来新的应力；余量过少，会无法修正圆的现状，无法保证圆柱度和垂直度等几何公差，需要经过试加工摸索。

（3）装夹方式在零件加工工艺路线中，最后工序的加工安排在表面处理后（增加自然失效时间的方案之一）。精车定位基准孔和精加工陀螺支架孔是保证零件重要特性和装配要求的关键工序，由于支架安装孔的几何公差在精镗孔工序保证，因此支架零件的装夹方式、夹紧力对于变形的影响非常大。

3. 解决方案

1）在加工过程逐步消除应力。由于陀螺支撑架去除材料达到85%以上，所以应在粗加工后自然时效，半精加工中逐步去除内应力，在半精加工后自然时效30天以上（半精加工后可以根据情况进行表面处理、表面精饰），根据产品需要进行精加工。通过工序间的自然时效去除加工应力，在精加工前将加工应力完全释放出来。

针对最后镗孔精加工精度情况，首先要注重加工设备的选择，根据加工内容采用卧式镗铣加工中心。精加工位置度要求±0.02mm，X轴、Y轴的重复定位要求保证在0.005mm以内，镗孔与铣削面要求垂直度0.01mm，要求设备的主轴轴向圆跳动在0.003mm。

加工余量根据加工试验合理确定到具体值，镗孔直径0.4mm。镗刀采用R=0.1mm钨钴类硬质合金刀片。镗孔时采用2把镗刀，粗镗刀镗到余量0.15mm，精镗孔镗到设计尺寸。切削参数为：转速200r/min，进给速度35mm/min。切削液关。端面铣削余量0.5m m，分两层进行切削，第一层切削深度0.42m m，留0.08mm进行精切削一层（采用φ5mm合金铣刀，转速450r/min，进给速度80mm/min），切削用量是经过加工验证的。

2）针对镗孔振颤情况，加工位置的支撑筋薄弱，相应的刚度非常低，加工工艺性差。在制定加工工艺路线时，要考虑如何解决加工变形及切削振颤问题，如何增加零件的刚度，减少切削时的振颤，提高表面粗糙度等级，保证几何公差中的垂直度要求，满足装配要求。在最后的镗孔精加工中，装夹夹具应保证不产生定位误差、变形及安装误差，夹具定位孔端面要与实际定位孔底面高度重合，保证位置度要求，因此应考虑如何装夹且增加辅助支撑。经过多种辅助支撑方式的尝试，摸索出泡沫软支撑加工方法，如图2所示。泡沫倾斜角度约3°，使用时从一面插入，感受松紧度并摇晃，使其接触相对紧密。目前正在定制专用泡沫支撑件。经过70件的加工验证，证明不仅可以减少镗孔的振颤，提高铣面的表面质量，而且不影响加工位置精度。