数控加工手段的探究与实践

　　随着数控加工技术的广泛运用，数控机床精度高、稳定性好、效率高、自动化强等一系列优点在机械加工中得到了充分体现，但用数控车床加工高硬度零件、薄壁零件、细长轴、细长孔等类零件，经常会出现零件易变形，零件尺寸及表面粗糙度不易保证等技术问题。近几年，伴随着新的刀具材料、新的表面涂层及新式刀具的出现，也衍生了新的切削加工工艺和加工方法，使此类零件在数控车床加工时的技术难题有了解决的可能。

　　典型零件分析

　　1.1基本情况介绍以某典型零件为例，该零件为高硬度薄壁筒形零件，内腔由螺纹、台阶孔及圆角构成，零件材料为30CrMnSiA高强度钢，硬度HRC50～55，壁厚1.5～2mm，内孔粗糙度Ra1.6，螺纹与外圆、内孔的同轴度Φ0.02mm，内孔圆度0.05mm，其形状及尺寸如所示。

　　1.2主要加工难点分析可以看出，Φ64.7mm内孔、M65×1.5螺纹、Φ69mm外圆及Φ65.7mm内孔的断续加工是该零件最主要的加工难点，其Φ64.7mm内孔深度为122.8mm，最薄处壁厚仅为1.5mm.该零件淬火后加工，因刚性差，极易发生变形，加上排屑困难，表面质量、圆度均难以保证，且存在断续切削时刀具易崩刃、磨损等现象。为保证该零件M65×1.5螺纹与内孔、外圆同轴度，且减小其淬火热处理后的螺纹变形量，该零件螺纹加工只能在淬火后进行。这些加工难点的存在，使得加工过程中刀具选择、加工工艺路线安排、工艺装夹方式确定等成为该零件是否合格的关键。

　　2．加工工艺过程设计通过对零件结构及其加工难点的分析，制定出以下加工工艺方案：a.下料b.退火c.普车粗加工外圆、平端面、钻Φ58mm通孔，保证两侧外圆端面与零件轴线垂直。

　　d.数车粗加工内外型，平两侧端面，并与零件轴线垂直，为保证淬火后的零件硬度能够达到设计要求，内外型均保留1mm余量。

　　e.热处理淬火HRC50～55.

　　f.钻侧面6个Φ3.2mm孔。

　　g精加工零件右端，平端面，精车内孔、M65×1.5螺纹，同时半精车外圆尺寸至Φ69.4mm（为零件最终加工留出0.2mm的精车余量），长度为66mm，并保证下道工序加工Φ64.7mm、Φ65.7mm内孔时能与螺纹同轴。

　　h.精加工零件左端，平端面，半精车外圆至Φ69.4mm，长度为70mm，分别精车内孔Φ64.7mm、Φ65.7mm，由于Φ65.7mm内孔圆周上有均布的6个Φ3.2mm的小孔，因此存在断续切削，应尽量避免与Φ64.7mm内孔使用同一把镗孔刀进行加工。

　　i.精车外圆，使用内涨胎精车外圆到Φ69mm.

　　3．加工工艺方案设计4.1加工刀具的选择在刀具手册、样本中，大多数将淬火硬度大于45HRC以上的切削定义为硬态切削。硬态切削多数情况下只能采用PCBN（聚晶立方氮化硼）刀片或金刚石刀片进行加工，此类刀片多采用负前角方式，刀片不锋利，韧性差，易破碎，且切削速度要求高，价格昂贵，如果用此类刀片加工该薄壁零件，容易产生振动，且不能进行断续切削。因此，针对零件淬火后硬度达到HRC50～55，零件材料30CrMnSiA韧性、塑性好的特点，笔者根据自己多年来对刀具的研究，选择刀具。

　　刀杆刚性好，且为正前角刀具，刀片为正前角，前角为18o，物理涂层（PVD）复合陶瓷，涂层结构为（Ti，Al）N+TiN，适合于断续加工，韧性、耐磨性好，切削锋利，其加工硬度为40HRC.

　　内螺纹R166.4KF-20-16 R166.0L-16MM01-250 1020刀杆为全圆形结构，被包容面积大，装夹后刚性好，刀片为适合低速切削的物理涂层（PVD）刀片，表面有1～2μm的TiN涂层，切削刃锋利，耐磨性好，耐高温，抗切屑锤击能力强，加工时不易产生振动，其加工硬度为47HRC.

　　镗孔A32T-SCLCL12 CCMT120404-WF5015（半精、精）刀杆为Φ32圆形结构，刚性好，且带有内冷却孔，能有效地使刀尖和零件得到充分冷却，降低零件切削温度，减小变形。刀片为非涂层金属陶瓷，主要成分为TiC、TiN，刀片具有良好的韧性，在整个刀具寿命期间都能保持刃口锋利，适合低速加工。同时，刀片带有修光刃（wiper），能有效提高零件表面粗糙度和加工效率（wiper刀片在表面粗糙度要求相同的情况下比普通刀片进给量快一倍）。

　　以上选择的刀具，虽然在理论加工硬度上并不能满足加工需要，但笔者通过反复试验，经优化切削参数和刀具几何参数，完善夹具设计后，最终使刀具满足了零件薄壁、高硬度、断续的加工要求。

　　3.2刀具的几何参数刀具几何参数的选择。

　　3.3专用夹具设计⑴为了满足此零件加工需要，零件夹具设计时应先计算出卡爪夹紧力和切削力，从而得出机床卡盘需要调整到的压力。

　　卡爪夹紧力公式：W＝nDf KM 2式中：n――卡爪数；K――安全系数；f――摩擦系数；M――切削扭距；D――零件直径。

　　切削力公式：F c＝C Fc a xFc p f yFc v nFc c K MF KкrF KγоF KλsF KλεF切削扭距公式：M＝2 FcD式中：C Fc――系数；x Fc、y Fc、n Fc――指数；a p――吃刀深度；f――进给量；V c――切削速度；K MF――材料修正系数；KкrF――主偏角修正系数；KγоF――前角修正系数；KλsF――刃倾角修正系数；KλεF――刀尖圆弧半径修正系数。

　　经查切削手册，该零件加工时的主切削力为：F c＝2795×0.4 1.0×0.15 0.75×88 -0.15×）（650 2109 0.75×0.89×0.9×0.6×0.8N＝128N切削扭距：M＝2 FcD＝0.5×128×70 N？mm＝4480 N？mm卡爪夹紧力：W＝nDf KM 2＝nf KFc＝3.

　　0 3 128 2×N＝284.4N根据公式计算结果，留出一定的安全保障系数后，将卡爪夹紧力确定为300N.经过对机床液压缸压强逐步调整，最后试验出液压缸压强在0.9bar时卡爪夹紧力能够满足要求。另外，设计了扇形软三爪，以增大夹持面积，减小零件夹紧变形，扇形软三爪如所示。

　　⑵在零件内孔加工完时又发现在Φ64.7内孔的R3圆周处出现平均为0.05的局部变形（直径变大），分析这可能是在加工R3时由于切削量突变造成的。

　　于是笔者一方面通过增加开槽套筒，来增加零件的有效壁厚，提高刚性，破坏振频，降低振动，另一方面在编制加工程序时，采用R圆弧逐步减小措施，减小切削突变量。

　　⑶为保证外圆精加工能一次完成，且零件支撑面具有足够的刚性，采用内涨胎（如所示）进行外圆切削加工，这样可以避免由于磨削而造成的零件应力变形，提高加工效率。内涨胎设计为橡胶膨胀式的夹紧方式，拉杆拉紧时通过螺栓和压板挤压楔块和支撑瓦片，橡胶套在楔块和支撑瓦片的作用下完成工件的夹紧。由于工件长度较长，靠近主轴的一端刚性较差，为此设计了两种楔块，楔块1的倾角为12°和45°，楔块2的倾角为12.5°和46°，保证了工艺系统的刚性。橡胶套中央部位是通过三片支撑瓦片传力的，保证了中央部位的有效支撑、夹紧。

　　3.4切削参数选择由于此零件为高硬度薄壁零件，加工时，刚性较差，易产生振动，刀具的切削硬度又不足以满足加工需求，为此，在刀具和夹紧力相对固定的情况下，只能通过优化切削参数进行调整，以表面粗糙度计算公式Ra＝εr f 50 2×（f为进给量，εr为刀尖圆弧半径）为参考，切削参数选择。

　　3.5冷却方式冷却液为水溶剂极压切削液，冷却时采用机床主轴的冷却系统与刀座的冷却系统相配合，从零件左右两端同时进行冷却的方式，主轴冷却系统对准零件，刀座冷却系统对准刀尖，使加工部位得到快速充分冷却，以减小切削时切削热对零件的变形影响，冷却液对零件冷却时切忌时有时无，以避免刀具出现冷热交变而产生破裂现象。

　　3.6排屑问题的处理由于该零件孔的加工深度较深，半精车、精车时产生的铁屑又多为红褐色带状屑，容易造成内孔表面划伤，甚至损坏刀尖，因此在精车、半精车每一刀完成后应暂停，及时清理铁屑。

　　4．数控加工程序设计

　　4.1数控程序设计流程数控程序设计流程。

　　4.2数控程序设计此零件加工时采用的是西门子840D数控系统，其关键点加工程序如下。零件右端内孔及螺纹加工程序：

　　5．结束语通过笔者介绍的方法，加工后的零件内孔粗糙度达到了Ra1.6，螺纹与外圆、内孔的同轴度为0.02mm，内孔圆度为0.03mm，完全符合设计要求，一次交验合格率达到了100％。有效解决了高硬度薄壁类零件的车削加工难题，并为高硬度材料零件的螺纹、断续加工等提供了一些经验，设计的夹具和总结的优化切削参数，打破了硬态切削的一些常规做法，大幅度提高了加工效率，降低了刀具费用。

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