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控加工時工藝的安排、工裝的設定、刀具的選定以及數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。
近年來由于數控設備的引進和推廣，給機械制造行業帶來了巨大的變革。從傳統的普通機床加工轉換為先進的數控加工，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量均提出了較高要求，是數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，作者結合苧曼工作提堂了一套行之有效的數控加工方案，它為加工一系列高精度空心軸結構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、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過程中的穩定性和可靠性。
零件材料為AMS6414(美國牌號)相當于40CrNiMoA，屬調質鋼，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。在本產品工藝中，材料經調質處理，處理后硬度為(40~45)HRC。
2 數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，定位穩定性差；
(3)內孔的表面粗糙度要求高，內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；內孔的加工路線：粗鏜一半精鏜一粗磨一精磨—研磨。
由于數控車床的引進，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。經過對零件的技術分析和一段時間的生產試制，最終確定零件的數控加工工藝，如表1所示。
在數控車削過程中，為能達到加工要求，保證產品質量，工藝人員設計了一套適合精車外圓和半精鏜、精鏜內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，為了能夠確保內孔尺寸精度、圓跳動和表面質量，對內孔加工刀具進行優選。
3 內孔加工刀具的選用
根據零件的結構特點，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，螺栓壓緊的穩定性較差，零件的孔徑比較大，加工時刀具產生較大振動，盡管對切削參數進行了多次調整，但加工精度仍難以達到設計要求，并且刀片壽命低。經過對振動現象的分析，通過對各種刀桿的試加工，發現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 鏜內孔工序的設計
內孔加工方法對保證內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，限制最高轉速1120r／min，進給量0.254mm／r。根據加工段的孔徑大小決定走刀次數，每工步完成后，鏜刀完全退出，清理鐵屑，檢查刀片。根據內孔長度分若干工步進行(見圖5、圖6)，實際加工中還應根據孔的大小深度，機床冷卻情況等因素進行實時微量調整。
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，限制最高轉速1120r／min，進給量0.125nm/r，吃刀深度0.127mm用精鏜刀光整內孔，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量。
內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，穩定性差，工件內孔表面粗糙度在此加緊方式下只能達到Ra3.2，零件內孔的表面粗糙度設計要求為Ra0.8。為了保證產品的加工質量，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的情況下，采用專用的軟爪夾緊加工可以穩定保證內孑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。機床的數控系統為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控設備。編程軟件用的是15.0版本的UG刑nigraphics)，編程時先根據生成的刀軌輸出一個CLSF刀位原文件，經后置處理器生成機床數控系統能識別的G代碼。后置處理器有一個問答式的設置文件，可根據機床數控系統的類別和機床的結構、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控車床上完成的，數控程序編制能否滿足產品設計要求，是否安全、適用十分重要。
在公司生產的產品中，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控設備上進行。為了能夠適合不同尺寸要求的同類產品加工，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精度的影響，對刀后不作調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。每一批產品的首件都應進行試切，后續產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。建立基礎庫后，只要將新的參數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傳遞到原有的數控模塊化程序中，即可產生新零件的試切程序。本零件外圓精車刀(5#)的試切程序略(程序內各參數單位采用英制)。
6 結束語
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。該零件的數控工藝通過生產實踐，已經驗證其可行性，產品合格率達到99％。同時，以該產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，提高生產效率 。
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
