金屬薄壁管零件具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕及節(jié)省材料等特點(diǎn)，在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。由于零件壁薄、強(qiáng)度弱、剛性差，加工中很容易變形，質(zhì)量難以保證。“變形管”是典型的薄壁管件，在該零件實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)設(shè)計(jì)專用工裝夾具，制訂合理可行的加工工藝等措施，以減少加工中的變形，保證工件加工質(zhì)量，提高加工效率。
壁薄是薄壁管零件的突出特點(diǎn)，一般采用數(shù)控車(chē)削的方式對(duì)其進(jìn)行加工，影響薄壁管零件加工精度的因素很多，歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面：
(1) 受熱變形。工件加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，導(dǎo)致工件產(chǎn)生熱變形，使其尺寸精度難于控制。因此，車(chē)削加工時(shí)要控制切削溫度，減小切削變形以減少切削熱的產(chǎn)生，同時(shí)增大刀尖散熱面積，充分使用冷卻液，將切削熱及時(shí)擴(kuò)散[1]。
(2) 振動(dòng)變形。工件在切削力(主要是徑向切削力)作用下易產(chǎn)生振動(dòng)變形，影響工件的尺寸和位置精度以及表面粗糙度。為減小振動(dòng)變形，應(yīng)提高工件和刀具的剛度，如減少刀具懸伸長(zhǎng)度、增大刀桿截面積等，同時(shí)選用剛性好、功率大的機(jī)床。
(3) 受力變形。零件由于壁薄，在夾緊力作用下容易產(chǎn)生變形，影響工件尺寸和形狀精度。
針對(duì)以上影響因素，筆者將通過(guò)變形管的具體加工實(shí)例來(lái)分析提高薄壁管零件加工精度和效率的措施。
2.1 變形管的作用及工作原理
目前動(dòng)車(chē)及城鐵的緩沖器廣泛采用變形管與橡膠緩沖器相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，以此來(lái)保證列車(chē)在正常牽引制動(dòng)工況下的能量吸收。變形緩沖裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。變形管5是機(jī)車(chē)車(chē)鉤壓潰緩沖裝置重要的安全零件，是一種破壞性的能量吸收元件，安裝在中間車(chē)導(dǎo)向桿上，在管口部位安裝一個(gè)加壓塊3，通過(guò)對(duì)管子擴(kuò)口的變形來(lái)吸收能量。一般變形管配合橡膠緩沖器一起使用，列車(chē)正常聯(lián)掛時(shí)，沖擊能量由橡膠緩沖器吸收，變形管不起作用，只有在高速度的沖擊時(shí)變形管變形，管體壓潰，吸收撞擊能量，產(chǎn)生軸向移動(dòng)，并觸碰動(dòng)作指示釘2，才能有效降低列車(chē)的縱向沖擊，保證車(chē)底架不產(chǎn)生永久變形，提高列車(chē)的運(yùn)行性能。圖1所示緩沖器要求變形管強(qiáng)度精確控制在一較小的范圍內(nèi)，理論上變形力在全行程應(yīng)保持一個(gè)恒定值[2]，因此對(duì)變形管的材料、形狀和尺寸精度要求很高。
1-防松板；2-動(dòng)作指示釘；3-加壓塊；4-導(dǎo)向鍵；5-變形管
圖1 變形緩沖裝置結(jié)構(gòu)示意圖
2.2 變形管零件結(jié)構(gòu)分析
變形管零件圖如圖2所示。其主要加工表面及技術(shù)要求是：①外圓面：直徑為Φ103 mm，表面粗糙度為Ra3.2 μm，可微見(jiàn)加工痕跡，需要精車(chē)實(shí)現(xiàn)；②內(nèi)孔面：直徑為Φ95 mm，表面粗糙度為Ra3.2 μm,粗車(chē)后再精車(chē),未注圓角R0.5；③加工尺寸未注公差按照GB/T 1804-2000《一般公差 未注公差的線性和角度尺寸公差》中的m級(jí)執(zhí)行；④Ⅰ類(lèi)零件，整體磁粉探傷，不允許有裂紋和工藝缺陷。
從零件圖和技術(shù)要求來(lái)看，此零件為典型的薄壁管零件，加工時(shí)必然會(huì)遇到薄壁管共同的加工問(wèn)題。綜合考慮，為減少工件加工變形，使工件裝拆方便，避免工件振動(dòng)刀具崩刃，有必要設(shè)計(jì)和制作一專用夾具，使工件定位快捷準(zhǔn)確。夾具設(shè)計(jì)力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單通用，制造方便。
圖2 變形管零件圖
3.1 工裝夾具的設(shè)計(jì)原則
(1) 夾具應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度。工件加工過(guò)程中，夾具體要承受較大的切削力和夾緊力[3]。夾具體需有一定的壁厚，所以要對(duì)夾具體的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，保證可以加工出合格的變形管零件。
(2) 在機(jī)床上安裝穩(wěn)定可靠。夾具在機(jī)床主軸上安裝，夾具安裝基面與主軸相應(yīng)表面應(yīng)有較高的配合精度，并保證夾具體安裝穩(wěn)定可靠。保證工件在加工過(guò)程中位置穩(wěn)定不變、震動(dòng)小，減少工件夾緊變形；采用徑向夾緊，增大夾具與工件的接觸面積，零件承受徑向夾緊力大小均勻、適當(dāng)。
(3) 工裝夾具通用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單、操作方便，省力安全，便于制造和維修。
3.2 工裝夾具的設(shè)計(jì)方案
通過(guò)對(duì)零件的分析，要求設(shè)計(jì)出一套既可以外夾也可以內(nèi)卡的專用夾具。當(dāng)加工變形管外輪廓時(shí)，用專用夾具撐持變形管內(nèi)壁；當(dāng)加工變形管內(nèi)孔時(shí)，裝夾變形管外圓。設(shè)計(jì)一個(gè)與內(nèi)外圓周接觸面較大的夾爪，使用原有機(jī)床上的卡盤(pán)，將夾爪安裝在卡盤(pán)上，沿用機(jī)床本身的氣壓夾緊，增大夾具與工件的接觸面積，減少變形管的變形。專用工裝夾具的使用如圖3所示。
3.3 工裝夾具主要參數(shù)確定
本文設(shè)計(jì)的專用夾具以車(chē)床的切削力和薄壁管受力變形的極限為參考標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)夾具的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行確定。由參考文獻(xiàn)[4]相關(guān)內(nèi)容可知，車(chē)床在工作時(shí)對(duì)工件的切削力由以下公式計(jì)算：
FC=9.81CFcapxFcfyFcvcnFcKFc.
(1)
其中：FC為主切削力，N；ap為背吃刀量，mm；f為進(jìn)給量，mm/r；vc為主軸轉(zhuǎn)速，r/min；指數(shù)xFc、yFc、nFc和修正系數(shù)KFc及系數(shù)CFc可由文獻(xiàn)[4]中查表得到。由于變形管材料選用45鋼，刀具使用硬質(zhì)合金刀具，可以查出CFc=270，xFc=1.0，yFc=0.73，nFc=1；取vc=800 mm/r，f=0.2 mm/r，ap=1 mm，查表得出KFc=1.06。將相關(guān)參數(shù)代入式(1)，可計(jì)算出FC=670 000 N。薄壁管厚度為6 mm，管外徑為Φ142 mm，材料45鋼，破壞時(shí)的最大強(qiáng)度p按65.65 MPa計(jì)算，由
可得薄壁管有效受力面積S大約為10 205 mm2，設(shè)計(jì)夾具的長(zhǎng)度為100 mm，扇形面積約為3 400 mm2，有效總角度為90°，因此每個(gè)夾具扇形角為30°，扇形內(nèi)直徑為Φ130 mm，厚度可設(shè)計(jì)成20 mm。
圖3 變形管的加工及所使用的專用夾具
設(shè)計(jì)變形管加工工藝時(shí)，應(yīng)從毛坯、刀具參數(shù)、切削用量、加工工序等方面進(jìn)行綜合考慮[5]。
4.1 毛坯的選擇
變形管零件大批量生產(chǎn)，選用Φ115×30 mm管材作為毛坯，材料45鋼。下料后首先進(jìn)行加熱擴(kuò)口，確保各處有加工余量，按照GH-1203—2009《擴(kuò)張式壓潰裝置驗(yàn)收技術(shù)條件》的要求進(jìn)行熱處理，對(duì)每批次經(jīng)熱處理后的變形管抽樣進(jìn)行變形力試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果合格后方可對(duì)該批次變形管的毛坯進(jìn)行加工。
4.2 刀具的選擇
薄壁管零件在車(chē)削的過(guò)程中，合理使用刀具的幾何參數(shù)對(duì)車(chē)削時(shí)產(chǎn)生的熱變形、切削力的大小還有工件表面微觀質(zhì)量都是非常重要的。主要考慮以下幾點(diǎn)的影響：①前角γ0的影響：前角增大切削力變小，切削變形和摩擦力減小，但前角過(guò)大，楔角減小，刀具強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致刀具散熱變差，磨損加快；②后角α0的影響：刀具后角增大，刀具摩擦力變小，切削力也變小，但后角過(guò)大，會(huì)減弱刀具強(qiáng)度；③主偏角kr的影響：改變主偏角的大小可以調(diào)整徑向切削分力和軸向切削分力之間的比例，主偏角增大時(shí)，徑向切削分力減小，軸向切削分力增大，車(chē)薄壁零件內(nèi)外圓，一般選取較大主偏角；④其他參數(shù)的影響：精車(chē)薄壁管零件時(shí)，要求刀柄剛度高，車(chē)刀的修光刃不能太長(zhǎng)，車(chē)刀刀刃一定要鋒利。
根據(jù)以上分析，加工變形管選用的刀具參數(shù)如下：
外圓車(chē)刀：主偏角kr為90°～93°；后角α0為14°～16°；前角γ0為10°～20°。
內(nèi)孔鏜刀：主偏角kr為90°～95°；前角γ0為20°；后角α0為14°～16°。
4.3 切削用量選擇
切削用量的選擇如下：①內(nèi)孔粗車(chē)：主軸轉(zhuǎn)速350 r/min～450 r/min，進(jìn)給量0.1 mm/r～0.2 mm/r，留精車(chē)余量0.1 mm～0.3 mm；②內(nèi)孔精車(chē)：主軸轉(zhuǎn)速550 r/min～800 r/min，進(jìn)給量0.05 mm/r～0.15 mm/r，采用一次走刀加工完成；③外圓粗車(chē)：主軸轉(zhuǎn)速400 r/min～500 r/min，進(jìn)給量0.2 mm/r～0.3 mm/r，留精車(chē)余量0.2 mm～0.4 mm；④外圓精車(chē)：
主軸轉(zhuǎn)速700 r/min～900 r/min，進(jìn)給量0.08 mm/r～0.15 mm/r，采用一次走刀加工完成。
4.4 加工工序設(shè)計(jì)
加工工序設(shè)計(jì)如下：①三爪裝夾Φ115 mm外圓(毛坯)，調(diào)正，車(chē)中心架用工藝臺(tái)Φ108±0.5 mm，寬80 mm，距擴(kuò)口端面55 mm；②三爪裝夾Φ115 mm外圓，上中心架，調(diào)正。車(chē)平端面，粗車(chē)內(nèi)孔，全部見(jiàn)光即可；③撤中心架，三爪撐持內(nèi)孔，尾針頂緊，粗車(chē)外圓，見(jiàn)光即可；④調(diào)頭，夾大頭外圓，上中心架，調(diào)正。齊總長(zhǎng)至尺寸；⑤調(diào)頭，夾小頭外圓，上中心架，調(diào)正。精車(chē)至尺寸。
經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，筆者采用以上工藝方法和設(shè)計(jì)的專用工裝夾具，較好地解決了薄壁零件的加工變形問(wèn)題，縮短了工件裝夾定位時(shí)間，提高了工作效率并保證了零件加工質(zhì)量，減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。