套类零件的孔加工工艺优化

【任务描述】

任务要求：如图2.19所示，毛坯为φ40 mm 的45 钢棒料。要求分析其数控车削加工工艺，编制数控加工程序并进行加工。其中，A（31.55，0），B（16，-33.745）。

图2.19　零件图

任务分析：本任务加工过程中，零件内轮廓变化趋势具有单调性，可采用任务四中的G71 指令完成零件的加工。本任务重点学习内孔尺寸精度控制方法及刀补设定。

【知识目标】

1.掌握套类零件的结构特点，正确制订套类零件的加工工艺。

2.合理选择切削用量，正确编写内孔轮廓的加工程序。

【能力目标】

1.掌握钻孔方法。

2.能合理选择内孔刀具，熟练安装。

3.掌握孔加工方法和尺寸控制方法。

4.能加工出满足尺寸精度要求的零件。

【相关知识】

套类零件因支承和配合的需要，一般有内孔。套类零件在车削工艺上与轴类零件大体相似，但套类零件需要加工的形状相对较复杂些。在结构上，内孔是套类零件的最主要特征。因此，套类零件在车削工艺上的特点主要是孔加工。孔加工比外圆加工车削要困难，具体体现在以下5 个方面：

①内孔加工较外圆加工而言，观察刀具切削情况比较困难，尤其在孔小而深时更突出。

②由于受孔径大小的影响，内孔刀具的刀杆不可能设计得很大。因此，刀杆的刚性较差，在加工过程中容易产生振动等现象。

③内孔加工尤其是盲孔加工时，排屑较困难。

④切削液难以达到切削区域。

⑤内孔的测量较困难。

孔加工的方法通常有钻孔、扩孔、车孔及铰孔。车孔是车削加工的主要内容之一。车孔精度一般可达IT8—IT7，表面粗糙度Ra1.6 ～3.2 μm，可用作粗加工，也可用作精加工。这里重点介绍车孔。

1.内孔车刀

内孔车刀可分为通孔车刀和盲孔车刀两种，如图2.20所示。

图2.20　内孔车刀

1）通孔车刀

切削部分的几何形状与外圆车刀相似，为了减小径向切削抗力，防止车孔时振动，主偏角应取得大些，一般为60° ～75°，副偏角一般为15° ～30°。为防止内孔车刀后刀面和孔壁摩擦又不使后角磨得太大，一般磨成双后角的形式。

2）盲孔车刀

用来车削盲孔或阶台孔，切削部分形状基本与偏刀相似，它的主偏角大于90°，一般为92° ～95°，后角的要求和通孔车刀一样。不同之处是盲孔车刀的刀尖到刀杆外端的距离小于孔半径，否则无法车平孔的底面。

2.内孔车刀的选用

常用的内孔车刀有两种不同截面形状的刀柄，即圆刀柄和方刀柄，如图2.21所示。还有一些特殊用途的车孔刀，如刀柄部有切削液输送孔、柄部装有减振机构和用重金属制作的刀柄等。

图2.21　内孔车刀刀柄结构

1）刀柄截面形状的选用

优先选用圆柄车刀。由于圆柄车刀的刀尖高度是刀柄高度的1/2，且柄部为圆形，有利于排屑。因此，在加工相同直径的孔时圆柄车刀的刚性明显高于方柄车刀。在条件许可时，应尽量采用圆柄车刀。在卧式车床上因受四方刀架限制，一般多采用正方形矩形柄车刀。如用圆柄车刀，为使刀尖处于主轴中心线高度，当圆柄车刀顶部超过四方刀架使用范围时，可增加辅具后再使用。

2）刀柄截面尺寸的选用

标准内孔车刀已给定了最小加工孔径。对于加工最大孔径范围，一般不超过比它大一个规格的内孔刀所定的最小加工孔径，如特殊需要，也应小于再大一个规格的使用范围。

3）刀柄形式的选用

通常大量使用的是整体钢制刀柄，其刀杆的伸出量应在刀杆直径的4 倍以内。当伸出量大于4 倍或加工刚性差的工件时，应选用带有减振机构的刀柄。如加工很高精度的孔，应选用重金属（如硬质合金）制造的刀柄；如在加工过程中刀尖部需要充分冷却，则应选用有切削液输送孔的刀柄。

3.内孔车刀的安装

①尖应与工件中心等高或稍高。

②刀杆伸出长度不宜过长，一般比被加工孔长5 ～6 mm。

③杆基本平行于工件轴线，否则在车削到一定深度时，刀杆后半部分容易碰到工件孔口。

④盲孔车刀安装时，内偏刀的主刀刃应与孔底平面成3° ～5°角，并且在车平面时要求横向有足够的退刀余地，如图2.22所示。

图2.22　内孔车刀的安装

4.内孔车削的关键技术

内孔车削的关键技术是解决内孔车刀的刚性和排屑问题。

1）增加内孔车刀的刚性可采取的措施

①尽量增加刀柄的截面积，通常车刀的刀尖位于刀杆的上面，这样刀杆的截面积较小，还不到孔截面积的1/4；若使内孔车刀的刀尖位于刀杆的中心线上，则刀杆在孔中的截面积可大大地增加。

②尽可能缩短刀杆的伸出长度，以增加车刀刀杆刚性，减小切削过程中的振动。

③选择不同的刀杆材料。用高速钢或硬质合金制作的刀杆刚性较好，深孔加工时可选用硬质合金刀杆。

2）解决排屑问题

主要是控制切屑流出方向。精车孔时，要求切屑流向待加工表面（前排屑）。因此，采用正刃倾角的内孔车刀；加工盲孔时，应采用负的刃倾角，使切屑从孔口排出。

3）充分加注切削液

切削液有润滑、冷却、清洗及防锈等作用。孔加工（尤其是加工塑性材料）时，应充分加注冷却液，以减少工件的热变形，提高零件的表面质量。

4）合理选择刀具几何参数和切削用量

孔加工时，由于加工空间狭小和刀具刚性不足，因此，刀具一般要较锋利，且切削用量比外圆加工时选得小些。

5.加工孔的注意事项

①内孔车刀的刀尖应尽量与车床主轴的轴线等高。

②刀杆的粗细应根据孔径的大小来选择。刀杆粗会碰孔壁，刀杆细则刚性差，刀杆应在不碰孔壁的前提下尽量大些为宜。

③刀杆伸出刀架的距离应尽可能短些，以改善刀杆刚性，减少切削过程中可能产生的振动。(www.xing528.com)

④精车内孔时，应保持刀刃锋利，否则容易产生让刀，把孔车出锥度。

⑤精车后，应检查内孔尺寸是否符合要求。如有误差，应修改后重复精车到尺寸。

【任务实施】

数控车床加工零件的一般步骤包括分析零件图样、加工工艺分析、编程加工程序及技能训练。

1.分析零件图样

1）零件分析

零件分析如图2.19所示。

2）尺寸精度、形位精度和表面粗糙度分析

①尺寸精度：本任务中，外圆和内孔的尺寸精度要求较高。尺寸精度要求主要通过在加工过程中的准确对刀，正确设置刀补及磨耗，以及制订合适的加工工艺等措施来保证。

②形位精度：本任务未标注形位公差，形位精度要求不高，通过机床精度及一次装夹加工可达到要求。

③表面粗糙度：本任务中，内孔的表面粗糙度可通过选用合适的刀具及其几何参数，正确的粗、精加工路线，以及合理的切削用量等措施来保证。

2.加工工艺分析

1）制订加工方案及加工路线

首先用外圆车刀手动车端面，采用手动方式钻孔，接着进行内孔粗、精加工，然后外轮廓粗、精加工，最后割断。加工工艺及切削用量见表2.13。

表2.13　加工工艺及切削用量

续表

2）工件定位与装夹

工件采用通用三爪自定心卡盘进行定位与装夹，工件伸出卡盘端面外长度约65 mm。工件采用φ40 mm 的45 钢棒。

3）选择刀具、量具、夹具等

本任务刀具材料均为硬质合金，根据教学实际可选用焊接式或机械夹固式。其切削用量见表2.14。

表2.14　工具、量具、刀具清单

3.编制参考程序

1）建立工件坐标系

根据工件坐标系建立原则：工件原点一般设在右端面与工件轴线交点处。

2）基点坐标

镗刀的循环起点设置在X14，Z5，如图2.23所示。基点坐标为C（X30，Z0），D（X28，Z-1），E（X28，Z -10.5），F（X22，Z -17.5），G（X22，Z -28），H（X16，Z -33.745），I（X16，Z-42）。

图2.23　轮廓基点坐标

3）编制程序

编制程序见表2.15。

表2.15　零件加工参考程序

续表

4.技能训练

1）加工准备

①检测坯料尺寸。

②装夹刀具与工件。

外圆车刀按要求装于刀架的T01 号刀位。其他刀具按要求装于刀架的对应刀位。毛坯伸出卡爪长度为65 mm。

③程序输入。

④程序模拟。

⑤开机回参考点。

2）对刀

外圆车刀采用试切法对刀，把操作得到的数据输入T01 刀具长度补偿存储器中。其他刀具按要求对刀，把操作得到的数据输入对应刀具长度补偿存储器中。

3）校刀

操作步骤详见项目一任务五中的校刀方法。

4）零件自动加工及尺寸控制

（1）零件自动加工

将程序调到开始位置，选择自动加工方式，调好进给倍率，按数控车床循环启动按钮进行自动加工。首次加工将程序控制调整为单段，快速进给倍率调整为25%。

（2）零件加工过程中尺寸控制

①对好刀后，按循环启动按钮执行零件加工。

②加工完成后，用千分尺测量外圆直径。

③修改磨耗，在修改磨耗时考虑中间公差。中间公差一般取中值。

④自动加工执行精加工程序段。

⑤测量（若测量尺寸仍大，还可继续修调）。

【检测与评分】

零件加工结束后进行检测，并将检测结果填入表2.16 中。

表2.16　套类轴零件评分表