40Cr 不锈钢定位杆铣削工艺分析及零件加工

吴庭友,杨 旭

(1.贵州航天电子科技有限公司,贵州 贵阳 550000;2.成都工贸职业技术学院/成都市技师学院,四川 成都 611731)

小型平面零件是铣削加工中常见的零件之一,怎么装夹是铣工需首先考虑的问题。为了保证零件的尺寸精度、表面粗糙度和合格率,需要铣工考虑选择不同装夹方式、铣削方法、切削参数和刀具才能完成。许多学者对各种40Cr 零件加工条件进行研究,如40Cr 直齿齿条在转速为200 r/min、进给量为300 mm/min 的情况下,齿形表面粗糙度可达Ra3.2 μm[1]。新型Al2O3陶瓷刀具在v=260 m/min、f=0.12 mm/r、ap=0.1 mm 的试验条件下切削淬硬40Cr 合金钢,刀具的磨损形貌以磨粒磨损和扩散磨损为主[2]。采用TiAlN 涂层刀具对40CrNi 钢进行干切削试验,其切削速度对切削温度的影响最大,其次是进给量和背吃刀量[3]。

1 定位杆铣削加工工艺分析及装夹方式选择

本次铣削选用的40Cr 不锈钢圆棒料,属于难加工材料,如图1 所示。前一道工序已经加工成一个台阶轴,是Φ3 mm ×4 mm 和Φ8 mm ×14 mm 圆柱体。现需在普通铣床上完成偏心长方主体和带圆弧方体的铣削加工。零件需完成加工的是平面和圆弧表面铣削,在普通铣床上加工圆弧需借助于圆工作台或分度头,零件是小圆弧,所以选用分度头完成。

图1 定位杆毛坯图

1.1 零件图纸的分析

如图2 所示为不锈钢定位杆零件图纸,从产品零件图样可知,该零件体积小,刚性差,容易振动变形。零件的各表面粗糙度值为1.6 μm,表面光洁度小,铣削加工要求高,所以在加工时选择高的主轴转速,小的背吃刀量,进给量分成粗加工、半精加工、精加工进行加工。左面14 mm ×2.5 mm 是一个偏心的长方体柱,R2.5 的圆心和Φ3 mm 的圆柱圆心重合,并且与距离5 的两边相切。铣削时用分度头进行装夹完成。铣削加工流程如下:先把Φ8 mm 的圆柱体上面铣成14 mm ×5 mm→再铣左右尺寸为14 mm×3.12 mm 的两个长方体柱→铣12 mm ×2.5 mm 长方体柱→铣R2.5 圆弧→倒角2-C1。

图2 定位杆二维零件图

1.2 零件装夹

因零件生产类型是小批量生产,铣削加工时装夹部分尺寸又短小,无法直接装夹,为保证已车削好的外圆Φ3 mm 台阶表面不被夹坏并控制圆柱的圆跳动。需要增大接触面积,使夹紧力均匀地分布在零件上,选择铣刀的弹簧夹套进行装夹,如图3 所示。再用万能分度头的三抓卡盘夹紧,悬臂铣削。悬臂铣削时容易振动,所以选择小的背吃刀量和进给量完成。

图3 弹簧夹套

2 刀具材料、切削用量及铣削方式选择

2.1 刀具材料

高速钢刀具最好采用 W6Mo5Cr4V2Al 和W12Cr4V2Mo 高性能材质的高速钢,可使刀具耐用度提高3 倍以上[4]。

硬质合金,应选用与不锈钢亲和作用及粘结作用小的YG 类添加TaC 或NbC 的细晶粒硬质合金。如选用涂层硬质合金铣刀,最好选TiAlSi 涂层类,可减小在切削过程中的粘结。硬质合金铣刀是进行高速铣削提高铣削生产率的有效途径之一。高速铣削时每分钟进给量大,切削量增加,所产生的热量也增加,温度可高至800 ℃左右,在这种情况下,被加工金属的硬度急剧降低,零件的切削性能变得非常好,刀具耐用度提高。

因零件加工属于小批量,在保证质量的前提下,需要提高加工效率,所以选择Φ6 mm 的硬质合金涂层圆柱铣刀进行铣削,如图4 所示。

图4 涂层圆柱铣刀

2.2 切削用量

铣削用量包括铣削层宽度、铣削层深度、铣削速度和进给量。铣削用量的选择,对提高生产效率、改善表面粗糙度和加工精度都有密切关系,本次零件粗糙度为1.6 μm,所以选择主轴转速、背吃刀量和进给速度如表1 所示。因不锈钢的塑性、韧性和抗拉强度高,导热系数低,切削温度高,切削时易产生粘结和扩散磨损,使加工硬化严重,加剧刀具的磨损。所以需充分加注切削液润滑和冷却,才能保证零件的铣削加工。

表1 切削参数

2.3 铣削方式的选择

顺铣和逆铣是普通铣削加工的两种方式。生产中需根据零件实际加工要求选择不同铣削方式才能达到零件所需的表面光洁度。

顺铣时,铣刀刀齿作用在工作台上的力与工作台前进的方向一致,如同向前进方向推一下,工作台同样要向前移动一小段距离,会使丝杆和螺母之间的间隙增大,这就使铣刀突然切入被加工表面出现深啃现象,容易受到刀轴和机床传动机构的冲击,引起刀齿折断,为了防止深啃现象使加工时中途不能停止进给。顺铣时,刀刃一开始就切入工件,切屑由厚而薄,故刀刃比逆铣磨损小铣刀耐用度高;铣刀不会产生上下跳动,振动小,工件表面光洁度好,并且切削面上没有硬化层,容易切削。

逆铣时,铣削力与工作台运动方向相反,在铣削力的作用下,丝杆与螺母总是保持紧密的接触,而不会松动,就克服了深啃的现象。逆铣时切屑由薄而厚,刀刃容易磨损;铣刀往往会产生周期性的振动,影响加工表面光洁度,切削面上有前一刀齿加工时造成的硬化层,不宜切削[5]。综上所述,此次加工时因零件表面质量要求高,所以选择顺铣方式加工。

3 关键技术及加工效果

3.1 零件铣削关键技术

如图5 所示,左边的长方体柱和宽2 mm 的中间带圆弧的方台都以Φ8 mm 的圆柱铣成偏心零件,长方体柱上方距离中心线2 mm,A、G、B三点都在R2.5 的圆弧上面,C、E两点在Φ8 mm 的圆上。所以根据直角三角形中的勾股定理可知r2=a2+b2,可以计算出CD和OF的长度,即CE=2CD。

图5 定位杆长方体柱铣削余量图

因毛坯是Φ8 mm 的圆柱,需要加工成宽度5 mm 的方体,单边的铣削余量是1.5 mm。OF==2.17 mm,那么可以计算出需要加工的深度FG=OA-OF=2.5 -2.17=0.33 mm。R2.5 的半圆弧加工是先把零件切削深度尺寸调整好,通过旋转万能分度头的手柄进行铣削加工。

3.2 零件加工效果

图6 为不锈钢定位杆零件加工效果。选择合理的铣削工艺、刀具切削参数和铣削方式,用铣刀弹簧装套进行装夹,使Φ3 mm 台阶表面不被夹坏,控制圆跳动。增大接触面积,使夹紧力均匀地分布在零件上。铣削时注意关键技术要点,铣削过程中高的切削速度,小的进给量保证零件表面质量,最终达到图纸上的控制要求。

图6 定位杆最终加工效果图

4 结束语

本研究主要通过不锈钢定位杆零件工艺分析,选择合理的铣削工艺方案和装夹方法、切削参数,能有效解决小零件铣削加工中出现的问题。用铣刀弹簧装套装夹,使夹紧力均匀地分布在零件上,减少零件铣削变形,保证零件加工时的圆跳动、尺寸精度和表面粗糙度,从而达到图样要求,为同类小零件的铣削加工提供借鉴和参考。