該本體是典型的盤類薄壁零件，其最大和最小外圓直徑分別為366.5和332 mm， 最大和最小內(nèi)孔直徑分別為350和322 mm，零件高度為37 mm，多臺(tái)階面，兩端面之間最薄處僅為2 mm，而且臺(tái)階面上有密封槽。零件剛度差，定位裝夾困難。
該本體零件有13處幾何公差要求，內(nèi)孔尺寸精度為IT6，部分孔和外圓圓柱度要求為≤0.02 mm，大端面和小端面平面度要求為≤0.02 mm，且與孔的垂直度要求為≤0.02 mm，零件尺寸圖如圖1所示。
圖1 零件尺寸圖
該零件的工藝難點(diǎn)如下。
1)本體零件內(nèi)、外圓直徑相差小，軸向尺寸也小，對孔和外圓的圓度和同軸度有要求，并且對端面的平面度和端面對孔軸線的垂直度也有嚴(yán)格要求，精度要求高。
2)該本體直徑大，壁薄，最大壁厚為8 mm，剛度差，加工中如果夾緊位置、夾緊力大小和裝夾方案選擇不當(dāng)易造成裝夾變形，嚴(yán)重影響零件加工精度。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，精加工時(shí)不宜采用常規(guī)的徑向裝夾方法。
3)在精加工過程中，零件壁薄，金屬體積較小，總的熱容量小，零件溫度容易升高，在和切削力的共同作用下，易產(chǎn)生零件變形，導(dǎo)致吃刀深度不均勻，并出現(xiàn)讓刀現(xiàn)象，使加工后的零件出現(xiàn)形狀和尺寸超差[1-2]。
該零件的加工難點(diǎn)如下。
1)由于本體為薄壁盤類零件，且多個(gè)面的相對位置要求高，夾緊位置點(diǎn)以及夾緊力大小很難確定。
2)多個(gè)端面和圓柱面的尺寸和幾何精度要求較高，車刀幾何參數(shù)和切削參數(shù)選擇困難，對刀具要求嚴(yán)格。
3)為保證零件加工部位及時(shí)冷卻，減少加工切削熱帶來的零件變形，應(yīng)選用合適的冷卻液。
在粗加工階段，由于只是去除多余的材料，切削量大，采用徑向夾緊方式；精加工時(shí)，為了保證高要求的尺寸精度和幾何公差，不宜采用徑向夾緊，是因?yàn)閺较驃A緊施力點(diǎn)力臂長，力矩大，易產(chǎn)生夾緊變形，而應(yīng)采用軸向夾緊，最大限度地消除裝夾對零件變形的影響[3-4]。
根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，利用均分的4個(gè)壓板軸向夾緊零件實(shí)點(diǎn)，不能懸空，以保證夾緊區(qū)域附近的荷載合力和合力矩幾乎為零，這樣裝夾力對切削部位影響最小。根據(jù)該本體為盤類零件的特點(diǎn)，精加工時(shí)，設(shè)計(jì)專用夾具，以孔和軸定位，壓板壓在零件端面實(shí)點(diǎn)處，然后利用百分表找正后再夾緊零件，設(shè)計(jì)的專用夾具可以在一次定位加工過程中調(diào)換一次壓板(該專用夾具在壓板調(diào)換前、后分別稱為夾具1(見圖2)和夾具2(見圖3))，實(shí)現(xiàn)本體零件軸向方向的全部加工，保證了多個(gè)圓柱面和端面的相對位置關(guān)系。
圖2 夾具1裝夾零件 圖3 夾具2裝夾零件
采用有限元分析技術(shù)，在專用夾具裝夾狀態(tài)下分析不同夾緊力對零件變形的影響，當(dāng)夾緊力變化時(shí)，本體的變形也會(huì)發(fā)生變化。在夾緊點(diǎn)位置不變的情況下，分別選取2種夾緊力，加載到夾緊點(diǎn)位置。通過有限元仿真分析所對應(yīng)的裝夾變形，根據(jù)變形量確定最大夾緊力限值。4種裝夾方式、2種夾緊力下本體的最大變形量見表1，本體的變形情況分別如圖4～圖5所示。
表1 4種裝夾方式、2種夾緊力下本體的最大變形量
夾具名稱夾緊部位夾緊力/N最大變形量/mm參考圖夾具1尺寸35上面5004.804×10-4圖4a尺寸35上面10009.607×10-4圖4b尺寸37上面2008.605×10-3圖4c尺寸37上面1004.302×10-3圖4d夾具2尺寸35下面1008.531×10-5圖5a尺寸35下面2001.706×10-4圖5b尺寸33上面2008.856×10-5圖5c尺寸33上面1004.428×10-5圖5d
a)尺寸35上面夾緊，夾緊力為500 N
b)尺寸35上面夾緊，夾緊力為1 000 N
c)尺寸37上面夾緊，夾緊力為200 N
d)尺寸37上面夾緊，夾緊力為100 N
圖4 本體在不同裝夾方式、不同夾緊力下的變形情況(夾具1)
a)尺寸35下面夾緊，夾緊力為100 N
b)尺寸35下面夾緊，夾緊力為200 N
c)尺寸33上面夾緊，夾緊力為200 N
d)尺寸33上面夾緊，夾緊力為100 N
圖5 本體在不同裝夾方式、不同夾緊力下的變形情況(夾具2)
根據(jù)本體夾具夾緊力位置和夾緊力有限元仿真分析結(jié)果進(jìn)行了實(shí)操驗(yàn)證。操作工通過加工和打表驗(yàn)證，利用力矩扳手，保證4處壓板壓力相同且為定值，在不影響零件精度的情況下，對夾具夾緊力大小進(jìn)行了調(diào)整，最終夾緊力選為120 N。
刀具的選用會(huì)影響零件的精度和表面粗糙度。精車薄壁零件時(shí)，刀桿的剛度要高，采用硬質(zhì)合金YT-15材料刀具，修光刃不宜過長，一般取0.2～0.3 mm，刀具口要鋒利。
減小加工時(shí)的切削力將會(huì)大大減小工件變形。選用較大的主偏角，外圓精車刀采用90°～93°的主偏角、17°前角、0.1～0.2 mm刀尖圓弧半徑，切削力較小，同時(shí)減少切削深度、進(jìn)給量和切削速度，在精車時(shí)適當(dāng)增加走刀次數(shù)，可以有效避免薄壁變形。
在切削零件過程中，根據(jù)所切材料的性能、切削特點(diǎn)和加工階段，正確地選擇相宜的切削液，以改善材料的切削加工性，及時(shí)帶走大量切削熱量，降低切削溫度，提高刀具耐用度，改善工件表面粗糙度，達(dá)到減少本體加工變形的目的。
綜合上述因素，考慮本體零件的材料為45鋼、尺寸精度最高等級(jí)為6級(jí)，且有多項(xiàng)幾何公差，加工刀具為硬質(zhì)合金刀，精加工時(shí)切削深度和切削速度小，精加工盤類薄壁零件應(yīng)選用油基切削液，流量充足，冷卻車刀加工區(qū)域，以3%～5%乳化液為宜。
在加工實(shí)踐與有限元分析技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)專用夾具，優(yōu)選夾緊布局和夾緊力，優(yōu)化車削刀具參數(shù)和切削參數(shù)，合理選用切削液，降低切削溫度，較好地解決了零件加工變形的問題。通過采用上述措施，使該本體零件的加工質(zhì)量得到了大幅度提升，成品率達(dá)到了90%以上。目前，該研究成果已推廣應(yīng)用到盤類薄壁零件的加工中，整體提升了本公司盤類薄壁零件的加工質(zhì)量。