重切削下异形毛坯件随孔径浮动精确定位技术

金鑫，金润一

航宇救生装备有限公司 湖北襄阳 441003

1 序言

弹射筒下支座是我公司弹射救生座椅产品的重要部件，是近年来救生座椅多种改进型号的动力机构主体件、通用件，起到与机舱主体刚性连接和快速脱离的作用，投产批量不断增多。

弹射筒下支座材质为30CrMnSiA钢，模锻毛坯件具有黏度较高的模锻特性，热处理后抗拉强度σb＝（1175±100）MPa，硬度高。

2 毛坯件加工工序原工艺状态

在生产工艺流程中，毛坯件数控精铣工序为：去除毛坯大余量，保证总体结构强度，形成外部必要型面。该型面对弹射救生座椅与基座紧固连接及快速脱离动作起重要作用。某型支座零件结构如图1所示。

该工序来料是毛坯余量大、覆盖极硬氧化皮的状态，如图2所示。考虑加工时间、毛坯余量、硬度和目标形状等要素，采用可转位硬质合金刀具、三面刃高钴钢铣刀等。

图1 某型支座零件结构

图2 数控精铣工序加工前的毛坯状态

工件的装夹如图3所示。依前工序完成的φ38+0.05+0mm、φ27.5+0.33+0mm孔为主定位，杆部φ24-0-0.12mm为高度定位，压持φ24-0-0.12mm外圆上部。

图3 工件的装夹状态

3 重切削下存在的问题分析

目前，避免刀具磨损过快采取的技术措施为：加大背吃刀量，确保较高的线速度。这种重切削状态保证切削刃切削区直接越过表面硬化层，既减少了刀具损耗，又提高了加工效率。

在批量生产过程中，发现存在零件尺寸超差现象，如图4所示。其中尺寸（10±0.10）mm超差明显，而且无确定规律，连续粗加工两件零件，中心距分别为9.85mm、9.55mm，初步判断是重切削力影响了零件安置状态。切削力大小与零件定位夹持稳定具有直接相关性：定位夹持越稳定，承载的切削力越大。为了缩短加工时间，提高材料去除率，降低刀具耗损，综合考虑材料和刀具条件，所用的切削三要素基本达到了工艺要求。

零件的定位夹持在加工过程中不能够较好地保持稳定的原因：①观察φmm、φmm主定位孔和φmm高度定位杆部，其中φmm孔的偏差较大，虽为卧式镗铣加工中心镗加工，但是仍有0.03～0.05mm的偏差，必然影响加工稳定性。②定位销与孔之间的配合间隙会造成在装夹或切削中零件的翻转偏移，经试验测量，偏移量有0.2～0.5mm。工件定位的自由度分析如图5所示。

图4 加工超差状态

图5 工件定位的自由度分析

4 技术方案论证

工艺确定的基准与加工型面具有直接相关性，为了利用此基准较好地保证设计性能，必须进一步改进装夹技术细节。

1）若杆部φ24-0-0.12mm以V形块定位，因定位点之间具有设计尺寸公差，所以为了避免过定位现象，调整每个零件的定位销与杆部距离，以便零件放入，但是又产生了随机性人工操作误差。

2）在实际加工中，为了尽量减小定位间隙形成的偏差，对造成零件受力偏移的φ27.5+0.33+0mm定位孔进行测量，并按孔径尺寸分类，配作了近20个定位销。由于每年生产的产品有多个批次，各批次状态不一，所以易造成操作中测量、分析、筛选和准备工作费时费力，非常繁琐，然而还是有少量尺寸超差现象。

图6 工件的装夹间隙配合示意

4）杆部φ24-0-0.12mm定位了垂直高度和1个旋转自由度；φ38+0.05+0mm、φ27.5+0.33+0mm主定位孔不仅可以定位水平面内两个直线自由度，还利用孔的较长轴线控制两个旋转自由度（见图5）。此“两孔一线”和常规的“一面两孔”截然不同，与车削以内孔定位、端面螺纹压紧形式属于同一类型。“两孔一线”与“一面两孔”的功能和作用对比见表1。

依据上述分析论证，确定以弹性机械膨胀方式形成技术解决方案。

5 技术方案的实施

技术方案的具体实施情况如下。

1）观察理想装夹过程发现，零件必须自上而下进入夹具，即：第一步，φ27.5mm定位销插入mm主定位孔；第二步，φ38mm定位销插入mm辅定位孔；第三步，零件继续下行，杆部mm接触平面定位高度，压板压持两段mm杆部，装夹完毕。

2）通过上述装夹推演过程，引发新思路，即充分利用装夹下行运动引导膨胀定位过程，达到配合紧实的稳定作用。随孔径上下浮动定位结构如图7所示，由径向膨胀结构、轴向作动结构和定位中心轴组成。作用过程为：零件下行套入φ27.5mm定位销，在继续下压过程中，轴向作动结构产生反作用力，向上推顶径向膨胀结构，下行运动越深，上顶力越大，与压力弹簧的线径、外径和有效圈数成正相关。轴向作动结构的上顶力促使径向膨胀结构发生膨胀，从而胀紧φ27.5+0.33+0mm主定位孔，起主体定位作用。

表1 “两孔一线”与“一面两孔”的功能和作用对比

3）加工中，φ40mm×10mm T形刀的主切削力为873N，进给力为288N，径向力为305N。定位主体材料及中心轴选用合金工具钢淬火材料制作，抗拉强度为1175MPa，与膨胀节的配合间隙为0.005mm，定位结构刚性高。选用的高刚性压力弹簧的总剪应力为2173.61N。

图7 随孔径上下浮动定位结构

4）膨胀节配合面与定位孔的长度之比为5∶6，在避让内部突出型面的情况下使φ27.5mm膨胀销长度达到最长，从而在强力膨胀之后产生的结果是：在稳固φmm定位孔的同时，与之相关的所有型面群组均达到垂直、平行或其应有的理论位置。

5）夹具要调整膨胀节“压力弹簧的行程”，达到压力最大，在杆部φmm未下降到定位平面高度时可继续下降，不断下压的轴向弹性势能进一步加强了径向膨胀力度和趋势，稳固了φmm、φmm孔的定位受力性能，以满足零件（10±0.10）mm精度要求。

6）通过调整夹具主体，安装弹性机械膨胀定位结构，找正整体装夹状态。随孔径上下浮动定位技术应用如图8所示。试切过程稳定，质量指标良好，达到了预期目标。现已进行了20多个批次的生产，质量稳定。

图8 随孔径上下浮动定位技术应用示意

6 结束语

由于模锻毛坯件热处理后抗拉强度σb＝（1175±100）MPa，黏度高，硬度高，形状奇特，因此工艺要素中的刀具（切削三要素）、夹具（定位、夹持）、设备（刚性、响应速度）和人员（专业能力、应变能力）必须在客观条件下取得均衡，综合运用，从而达到最优性能。

通过现场操作和技术剖析，获得以轴向直线运动驱使径向扩展膨胀的技术新类型，膨胀节与中心轴材料必须选用耐磨损的高强度合金工具钢，通过高精度配合提高结构刚性，调节压力弹簧行程，机械势能转化为弹性形变，使之在运动中产生最大的反作用力，进而转化为强大的膨胀刚性。

压力弹簧线材如不锈钢丝的刚性模数G=7300，弹簧使用寿命为600h/根，即连续生产600h更换一次弹簧。这里必须强调，选配压力弹簧时，必须对机械加工的切削负荷进行科学计算，确保其膨胀刚性和耐用性。