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      摘要：本文以某型號飛機螺旋槳軸的工藝編制為基礎，對該零件在車削部分數(shù)控加工時工藝的安排、工裝的設定、刀具的選定以及數(shù)控程序的編制作了闡述。通過實踐驗證該零件工藝文件合理，并以該零件為主樣件建立零件族基礎庫，對加工類似高精度空心軸零件的CAPP和CAM有指導意義。

     近年來由于數(shù)控設備的引進和推廣，給機械制造行業(yè)帶來了巨大的變革。從傳統(tǒng)的普通機床加工轉(zhuǎn)換為先進的數(shù)控加工，精度的保證不再是靠操作者手工控制。飛機螺旋槳軸由于其使用性的需要，對機械加工精度和表面質(zhì)量均提出了較高要求，是數(shù)控車床加工的典型零件之一。在如何保證此類零件的精度方面，作者結(jié)合苧曼工作提堂了一套行之有效的數(shù)控加工方案，它為加工一系列高精度空心軸結(jié)構(gòu)的零件提供了一個理論與實踐的參考。

     1 零件特性

     某飛機上的螺旋槳軸是一個高精度空心軸零件，零件簡圖如圖1所示。零件在工作過程中高速旋轉(zhuǎn)、受力復雜，使用時對零件的動平衡和可靠性要求高。零件總長為28mm，是一根階梯軸，外圓各處互為基準，圓跳動為0.025mm；內(nèi)孔相對外圓基準的跳動為0.05mm，跳動精度直接影響零件高速旋轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

     零件材料為AMS6414(美國牌號)相當于40CrNiMoA，屬調(diào)質(zhì)鋼，可以進行滲氮處理；在高強度時還有很高的韌性；淬透性高，鋼的焊接性差。冷變形塑性中等，通過高溫退火或等溫退火可以改善鋼的機械加工性能。在本產(chǎn)品工藝中，材料經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，處理后硬度為(40~45)HRC。

     2 數(shù)控加工工藝過程安排

從零件圖分析，制定機械加工工藝路線時必須考慮該零件的以下特征：

(1)空心軸，壁厚約10mm，用三爪卡盤直接裝夾將產(chǎn)生較大的夾緊變形；

(2)外圓加工時定位基準夾持部位短，定位穩(wěn)定性差；

(3)內(nèi)孔的表面粗糙度要求高，內(nèi)孔相對外圓基準的跳動精度高。

(4)孔的長徑比大，刀具振動大，易崩刀。

     如果采用普通機床加工，外圓表面的加工路線：粗車—半精車—粗磨—精磨—精密磨削；內(nèi)孔的加工路線：粗鏜一半精鏜一粗磨一精磨—研磨。

     由于數(shù)控車床的引進，與普通的車床、鏜床比較，它的加工范圍和加工精度都有很大提高。經(jīng)過對零件的技術分析和一段時間的生產(chǎn)試制，最終確定零件的數(shù)控加工工藝，如表1所示。

     在數(shù)控車削過程中，為能達到加工要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量，工藝人員設計了一套適合精車外圓和半精鏜、精鏜內(nèi)孔三道工序的專用軟爪夾具，這套軟爪在加工過程中起到了重要的作用。同時，為了能夠確保內(nèi)孔尺寸精度、圓跳動和表面質(zhì)量，對內(nèi)孔加工刀具進行優(yōu)選。

     3 內(nèi)孔加工刀具的選用

     根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點，在零件的加工過程中，鏜孔刀具的選擇具有特殊性和典型性。最初工藝采用了肯納的減振鏜桿與VDI-50螺栓壓緊式刀柄配合，由于鏜桿與刀柄之間存在一定間隙，鏜桿與刀柄形成線接觸，螺栓壓緊的穩(wěn)定性較差，零件的孔徑比較大，加工時刀具產(chǎn)生較大振動，盡管對切削參數(shù)進行了多次調(diào)整，但加工精度仍難以達到設計要求，并且刀片壽命低。經(jīng)過對振動現(xiàn)象的分析，通過對各種刀桿的試加工，發(fā)現(xiàn)刀柄的夾緊方式是引起振動的主要原因之一，后在半精鏜內(nèi)孔時采用了VDI-50彈性夾緊式刀柄(Split sleeve)俗稱全包刀柄如圖2所示。

     刀柄上有一彈性缺口，刀桿伸入刀柄后用螺栓夾緊刀柄，彈性缺口收縮，刀桿與刀柄之間形成面接觸，刀具振動基本得到控制唧；精鏜內(nèi)孔時采用整體式刀桿，如圖3所示，精加工精度能夠滿足設計要求，刀片壽命正常。螺栓壓緊式與彈性夾緊式刀柄加工產(chǎn)品效果，如表2所示。

      4 工序設計

      4.1 精車外圓工序的設計

      表1中25工序為精車外圓，為使設計基準與定位基準重合，定位采用夾持基準H靠基準面A，利用頂尖定位右端面，如圖4所示，由于右端錐孔中心線與外圓H的中心線的同軸度較差，由此產(chǎn)生的過定位引起零件的圓度誤差明顯超差，加工精度達不到設計要求。通過反復實驗和調(diào)整，將精車工序的加工工步最終確定為：夾持基準H靠基準面A定位，以(0.15—0.25)mm的吃刀深度精車靠近右端的一段外圓(圖4中心支架定位處)，用中心支架夾持這段外圓精加工右端內(nèi)孔和60°的定位錐度(圖4頂尖定位處)。通過以上兩個工步使右端錐孔中心線與外圓H中心線的同軸度達到重復定位的要求。松開中心架，頂上頂尖，精車外圓。

      4.2 鏜內(nèi)孔工序的設計

      內(nèi)孔加工方法對保證內(nèi)孔相對外圓的跳動有很大關系。表1中30工序半精鏜采用分工步方式進行，每個工步的進刀深度75mm。一次走刀的徑向吃刀深度約1.25mm，采用恒線速度107m／min，限制最高轉(zhuǎn)速1120r／min，進給量0.254mm／r。根據(jù)加工段的孔徑大小決定走刀次數(shù)，每工步完成后，鏜刀完全退出，清理鐵屑，檢查刀片。根據(jù)內(nèi)孔長度分若干工步進行(見圖5、圖6)，實際加工中還應根據(jù)孔的大小深度，機床冷卻情況等因素進行實時微量調(diào)整。

      表1中35工序精鏜，精鏜余量為0.5mm。精鏜之前采用恒線速度107rrgmim，限制最高轉(zhuǎn)速1120r／min，進給量0.125nm/r，吃刀深度0.127mm用精鏜刀光整內(nèi)孔，以確保0.5mm的精鏜余量均勻。精鏜分三次走刀，第一刀吃刀深度為0．25ram，第二、三刀吃刀深度為0.1251rim，采用恒線速度107m／mira，限制最高轉(zhuǎn)速1120r／min，進給量0.1mm／r，三次均由z軸的負方向向正方向走刀。此走刀方式與由z軸正方向向負方向進刀相比較，加工后的內(nèi)孔表面粗糙度明顯前者高于后者。因為正向進刀時，團狀切屑在刀桿與已加工內(nèi)孔表面之間受到擠壓，容易刮傷已加工表面，而由z軸的負方向向正方向走刀時，切屑刮傷的為待加工表面，所以負向走刀可以提高加工表面的質(zhì)量。

      內(nèi)孔表面粗糙度要求高時，支承方式不同對其的影響也不一樣。最初工序使用僅在軸中部軸頸處(圖1中Φ75.646~由Φ75.621處)用軟爪夾緊，由于工件為空心軸，夾持部分壁厚為10.023mm，剛度較低，夾緊力的著力點過于集中，工件產(chǎn)生相應變形，造成加工誤差，如圖7所示。加工后工件的尺寸精度及圓度均超出設計范圍；夾持長度較短，穩(wěn)定性差，工件內(nèi)孔表面粗糙度在此加緊方式下只能達到Ra3.2，零件內(nèi)孔的表面粗糙度設計要求為Ra0.8。為了保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量，本工序使用專用的軟爪，軟爪在大端法蘭和軸中部直徑處同時夾緊，如圖8所示，夾持長度的增加提高了夾緊的穩(wěn)定性，同時使夾緊力分散，消除工件的夾緊變形。在采用相同的刀具和切削參數(shù)的情況下，采用專用的軟爪夾緊加工可以穩(wěn)定保證內(nèi)孑L的加工精度及表面粗糙度要求。

      5 程序編制

     5.1 程序編制背景

     產(chǎn)品的精車、半精鏜、精鏜工序是在德國Boehringer公司進口的VDF315 NC LATHE上完成的。機床的數(shù)控系統(tǒng)為FANUC-15Bm，它功能全。界面簡單，程序可由電腦編程、模擬后通過串口傳人數(shù)控設備。編程軟件用的是15.0版本的UG刑nigraphics)，編程時先根據(jù)生成的刀軌輸出一個CLSF刀位原文件，經(jīng)后置處理器生成機床數(shù)控系統(tǒng)能識別的G代碼。后置處理器有一個問答式的設置文件，可根據(jù)機床數(shù)控系統(tǒng)的類別和機床的結(jié)構(gòu)、功能進行設置。對生成的刀軌，UG具有在屏幕上演示加工軌跡的功能。為檢查是否有干涉產(chǎn)生，還可將刀具模型畫出來按加工軌跡進行三維虛擬加工演示。

      5.2 數(shù)控程序的編制和零件族基礎庫

     在整個零件的加工過程中，機械加工工序都是在數(shù)控車床上完成的，數(shù)控程序編制能否滿足產(chǎn)品設計要求，是否安全、適用十分重要。

     在公司生產(chǎn)的產(chǎn)品中，高精度空心軸是一種典型的零件。零件及專用軟爪在加工時都是在同一數(shù)控設備上進行。為了能夠適合不同尺寸要求的同類產(chǎn)品加工，以該零件為設計主樣件建立一個空心軸零件族基礎庫。

     零件在數(shù)控程序編制過程中其關鍵之一是試切程序的編制。因為刀具受機床對刀系統(tǒng)精度的影響，對刀后不作調(diào)整加工出來的尺寸與程序里的名義尺寸總存在千分之幾毫米的誤差。因此，必須采用先試切，然后測量出誤差，再把測量得到的誤差輸入到刀具半徑補償和長度補償，以保證最終尺寸得到有效控制。試切時的所有條件(如余量和切削參數(shù)等)都要與最后精加工時保持一致，以消除這些因素對加工精度的影響。每一批產(chǎn)品的首件都應進行試切，后續(xù)產(chǎn)品加工時可以可跳讀試切程序。對尺寸公差小的關鍵尺寸，在最終精加工之前程序中應設置退刀和暫停指令，以便工人測量尺寸，按需要調(diào)整刀具半徑補償和長度補償。外圓車刀的試切可加工一段外圓直徑和一個端面，以分別調(diào)整徑向和軸向的刀具補值，在試切程序模塊的基礎庫中外圓直徑和z向長度尺寸是關鍵參數(shù)。建立基礎庫后，只要將新的參數(shù)輸入到基礎庫中的模塊化工藝流程，由工藝流程將新的參數(shù)傳遞到原有的數(shù)控模塊化程序中，即可產(chǎn)生新零件的試切程序。本零件外圓精車刀(5#)的試切程序略(程序內(nèi)各參數(shù)單位采用英制)。

     6 結(jié)束語

     通過對螺旋槳軸關鍵尺寸的分析，制定了一套合理的數(shù)控加工工藝，為關鍵工序設計了適用的夾具、精選了刀具。該零件的數(shù)控工藝通過生產(chǎn)實踐，已經(jīng)驗證其可行性，產(chǎn)品合格率達到99％。同時，以該產(chǎn)品為主樣件建立的零件族基礎庫，使加工同類零件時減少了重復工作，縮短工作時間，提高生產(chǎn)效率 。