复杂轴类零件以车代磨工艺

李刚，雷发林，徐英杰

山东日照市七星汽车部件有限公司 山东日照 276800

1 序言

轴套类及盘类产品主要用车床加工。对于单一直轴的车削加工较为简单，精度比较容易保证；对于复杂轴类零件的大批量加工，若想达到几何公差及加工表面粗糙度要求，则难度较大。

2 复杂轴类零件加工工艺分析

某复杂轴类零件尺寸及技术要求如图1所示。零件材质为40Cr钢，调质处理后的硬度为28～34HRC，大轴承位至端面中频淬火。大批量加工这类产品轴部的传统工艺为：铣端面打中心孔→粗车→半精车、车螺纹→中频淬火→磨大外圆、R弧和端面→磨小轴径。

图1 某复杂轴类零件尺寸及技术要求

传统工艺存在的缺点：①工序流转较长，占用设备及人员较多，需要及时修磨外圆及棱边R8mm弧，加工比较繁琐，效率较低。②由于工件盘面及两耳为复杂的异形件，并且头部质量较重，所以采用双顶尖夹紧结构，在外圆磨削时，工件转动因离心力受力不均，圆柱度、跳动度及尺寸公差不易保证，不良品控制难度相当大。③由于工件头部尺寸较大，回转直径也相应增大，所以磨床的选择较为困难。

考虑到目前公司拥有先进的数控加工设备以及性能优越的切削刀具，认为轴部加工完全可以采用以车代磨工艺，从而促进产品质量升级，提高加工效率。

3 设备的选择

因工件要求大轴颈位中频淬火硬度为52～63HRC，车削淬硬钢与车削非淬硬钢相比，切削力将增加50%以上，切削所需功率增加2倍左右，所以硬车削对机床系统刚度、功率等提出了更高的要求。机床间隙和刚度决定了振刀、让刀等问题的发生率，也会影响加工工件的尺寸精度、几何公差和表面粗糙度。

公司有普通数控车床和斜身数控车床可供选用。由于斜床身数控车床具有45°高强度倾斜导轨，精度稳定可靠；具有高精度通孔式主轴结构，抗振性能好；配备多工位转塔刀架，可就近换刀，定位精度较高，且换刀时间较短。所以选用斜床身数控车床，采用以车代磨工艺进行加工，工艺流程为：打中心孔→粗车→中频淬火→以车代磨精车外圆。

4 加工工装的设计

虽然斜床身数控车床具有高刚度、高精度且抗振性能好的优点，但是对于图1所示头部较大的工件，由于受离心力的影响，仍会造成设备出现振动较强的现象，影响工件轴部的径向圆跳动、轴向圆跳动及圆柱度等，从而影响产品精度及装配精度，甚至影响产品使用的安全性，因此，必须采用合理的夹具来保证工件运转的稳定性。

4.1 第一种工装的设计

第一种工装如图2所示，采用的是双顶、一靠一夹的定位夹紧方式，即设计制作专用夹具安装在主轴上，通过主轴顶尖与尾座顶尖顶紧工件中心孔定位，工件的一个侧面靠在一个螺钉上，另一个侧面由另一个螺钉夹紧。该工装的优点是结构简单、制作成本低。缺点是因用一个螺钉将工件的一个侧面压紧，使工件靠在另一个螺钉上，压紧力会使工件的中心错位，成为虚定位，影响工件旋转的稳定性，不能满足工件精加工的尺寸精度、几何公差要求，且手动夹紧费时费力，所以该工装通常只用在粗车工序上。

图2 第一种工装

4.2 第二种工装的设计

第二种工装如图3所示，用螺钉固定在机床主轴上。当踩动液压开关，液压缸推动拉杆，使拉杆带动导杆后移时，导板也随之后移，使摇臂向下摆动，从而使固定在定位座上的两卡爪随同倾斜，夹紧工件。当加工完毕后，踩动液压开关，液压缸推动拉杆，导杆随着移动，并带动导板前移，使得摇臂上摆带动左、右卡爪向后倾斜，松开工件。

图3 第二种工装

工装结构的特殊性使其在使用中稳定可靠，主要是因为：顶销在弹簧作用下把摇臂和卡爪定位在固定座上，使摇臂和卡爪在没有夹紧的状态下处于一个合理对称的位置。当工件处于夹紧的不对称状况（无论是工件不对称，亦或是装夹定位不对称）时，左（右）卡爪或某一卡爪先接触工件，使得顶销压缩弹簧在固定座定位孔后移，迫使卡爪及定位座带动摇臂及浮动块作轴向旋转，直至另一卡爪接触工件，最终两卡爪抱紧工件；当加工完毕松开工件时，弹簧压动定位块重新在固定座定位孔内定位，使得浮动块及摇臂复位。当摇臂转动时，将会带动浮动块进行一定量的转动或摆动，而不影响导板的工作。

工装安装使用前应进行动平衡试验。安装工件时，应使工件在左顶尖上先定位、后踩动液压开关顶紧尾座顶尖，再夹紧工件，最后起动机床开始加工。

该工装的优点是：两卡爪抱紧工件不会使工件中心错位产生虚定位，定位准确，工件夹紧力大，稳定可靠，无振颤现象。该工装适用于质量较大、头部异型的复杂工件。

5 刀具的选择及工艺设计

图1所示复杂轴类零件的粗车、半精车工序采用图2所示工装夹具，刀具采用WNMG080408N硬质合金涂层刀片，刃倾角为0°，刀尖半径0.8mm，转速500～600r/min，切削深度2～3mm，进给量0.15～0.30mm/r。将所加工区域大部去除，留有精车量0.35mm，过渡锥面区域加工至成品尺寸。

中频淬火后采用以车代磨工艺精车大、小轴承位及轴头螺纹，采用图3所示工装夹具。淬火区包括大轴颈φR8mm弧及端面，采用CBN刀片CNGA120412，刃倾角0°，刀尖半径1.2mm，主轴转速650～800r/min，切削深度0.35mm。根据刀尖半径rε=1.2mm、表面粗糙度值Ra=0.8μm，由公式计算得出进给量fn≈0.0876mm/r，fn实际取值0.08mm/r。采用陶瓷刀片WNMG080404加工φ100mm圆柱面以及端面，主轴转速仍采用650～800r/min，切削深度0.35mm，进给量为0.07mm/r。对于小轴颈φ可以采用陶瓷刀片WNMG080404，进给量为0.05mm/r；也可以采用CBN刀片CNGA120412，进给量提高到0.08mm/r，生产效率提高了，但刀片费用略有增加。适当减少进给量会降低表面粗糙度。

目前车削也常采用修光刃技术，其优点在于实现了“加工时间减半，表面质量倍增”，省去磨削工序，实现了“以车代磨”。但是对于本例，由于工件头部较重、形状复杂，转速难以达到工艺要求，所以加工表面经常出现类似于擦伤的不光泽面，色泽差异较大，表面粗糙度也没有达到要求。这主要有两个原因，一是积屑瘤，二是刀尖与工件的接触长度比标准刀片长。因此本例没有采用修光刃技术。

6 冷却方式

对于断续切削工件来说，最好采用“干车削”，否则进刀和退刀时的热冲击会引起刀片破裂。至于连续切削，刀头在干车削过程中产生的高温足以韧化预切削区域，从而降低材料硬度，使之易于剪切。同时，干切削方式具有明显的成本优势。本例粗车虽然是连续切削，目的是去除加工余量，为精车做准备，但尺寸精度及几何公差并不作为主要技术要求，所以仍然采用干车削。但是在精车中，尺寸精度、几何公差以及表面粗糙度是必须保证的，如果采用干车削，加工过程中产生大量的切削热，工件温度高，当冷却后，尺寸差异较大，难以保证尺寸公差及圆柱度。因此，以车代磨精车工艺采用水基切削液，有助于延长刀具寿命和保证产品的技术要求。此外，高压切削液可以减少切屑堆积，从而降低因为切屑阻塞对切削液流至刀头的影响，也要求切削液有一定的防锈能力，防止环境介质及残存切削液中的油泥等腐蚀性物质对金属产生侵蚀。

7 效果分析

本案例采用以车代磨工艺，取得了很好的加工效果，检测结果见表1。

表1 检测结果

8 结束语

复杂轴类零件以车代磨工艺实现批量加工，整个工艺系统必须保证工件加工运转过程中的定位稳定性，以及车削过程中切削工艺设计的合理性。实践证明，以车代磨工艺是先进的加工方式，不仅降低了废品率，减少了周转，而且完全可以替代车削+磨削工艺，提升了产品质量。经检测，该工艺的所有技术指标都优于传统工艺。