数控加工手段的探究与实践

第第页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。

2典型零件分析2.1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0.02mm，内孔圆度0.05mm，其形状及尺寸如所示。

2.2主要加工难点分析可以看出，64.7mm内孔、M651.5螺纹、69mm外圆及65.7mm内孔的断续加工是该零件zui主要的加工难点，其64.7mm内孔深度为122.8mm，zui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M651.5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。

3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58mm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3.2mm孔。

g精加工零件右端，平端面，精车内孔、M651.5螺纹，同时半精车外圆尺寸至69.4mm（为零件zui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64.7mm、65.7mm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69.4mm，长度为70mm，分别精车内孔64.7mm、65.7mm，由于65.7mm内孔圆周上有均布的6个3.2mm的小孔，因此存在断续切削，应尽量避免与64.7mm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69mm.

4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-20-16R166.0L-16MM01-2501020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1～2m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-SCLCL12CCMT120404-WF5015（半精、精）刀杆为32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，zui终使刀具满足了零件薄壁、高硬度、断续的加工要求。

4.2刀具的几何参数刀具几何参数的选择。

4.3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＝nDfKM2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：Fc＝CFcaxFcpfyFcvnFccKMFKкrFKоFKsFKF切削扭距公式：M＝2FcD式中：CFc――系数；xFc、yFc、nFc――指数；ap――吃刀深度；f――进给量；Vc――切削速度；KMF――材料修正系数；KкrF――主偏角修正系数；KоF――前角修正系数；KsF――刃倾角修正系数；KF――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：Fc＝27950.41.00.150.7588-0.15）（65021090.750.890.90.60.8N＝128N切削扭距：M＝2FcD＝0.512870N？mm＝4480N？mm卡爪夹紧力：W＝nDfKM2＝nfKFc＝3.

031282N＝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，zui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64.7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（如所示），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*部位是通过三片支撑瓦片传力的，保证了*部位的有效支撑、夹紧。

4.4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＝rf502（f为进给量，r为刀尖圆弧半径）为参考，切削参数选择。

4.5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。

4.6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。

5数控加工程序设计5.1数控程序设计流程数控程序设计流程。

5.2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：

7结束语通过笔者介绍