帶內(nèi)花鍵的薄壁傳動(dòng)軸變形的控制

李丹，周平，孫剛

（中國(guó)航發(fā)貴州黎陽(yáng)航空動(dòng)力有限公司，貴陽(yáng) 550014）

0 引言

薄壁筒體零件剛度差，在加工中容易變形，這會(huì)導(dǎo)致兩種不符合設(shè)計(jì)要求的情況出現(xiàn)：第一種變形較嚴(yán)重，零件加工完成后，精度較高的幾何尺寸及技術(shù)條件就不滿足設(shè)計(jì)圖樣要求；第二種，零件加工完成檢驗(yàn)合格入庫(kù)，零件經(jīng)過(guò)自然時(shí)效，殘余應(yīng)力完全釋放，零件局部塑性變形，精度高的尺寸及技術(shù)條件超出了裝配要求，在實(shí)際裝配時(shí)卻裝配不了的情況。

1 薄壁筒體零件變形原因分析及應(yīng)對(duì)措施

如何控制變形是保證薄壁筒體零件質(zhì)量的關(guān)鍵，在機(jī)械加工中，此類薄壁筒體零件變形原因主要有以下2個(gè)方面。

1.1 工藝裝夾及加工路線

此類薄壁件，由于零件剛度差，特別是壁厚不超過(guò)5 mm時(shí)，因夾緊力與支撐力的作用點(diǎn)選擇不當(dāng)，會(huì)引起附加應(yīng)力，夾、壓的彈性變形將影響表面的尺寸及形位公差，產(chǎn)生加工變形[1]。在粗加工外圓及加工內(nèi)孔時(shí)可用徑向夾緊，但須增加夾緊面積或增加零件剛度。在加工內(nèi)花鍵及外圓精加工時(shí)只能用軸向夾緊方式，讓夾緊力能夠沿著零件軸向分布，零件軸向的剛度較大，能夠讓夾緊力作用在剛度較強(qiáng)的區(qū)域，從而減小變形概率。

零件必須粗精加工分開進(jìn)行，形狀復(fù)雜的還需要增加半精加工工序。粗加工及半精加工主要目的是去除余量，精加工是為了保證零件尺寸、技術(shù)條件及表面質(zhì)量，粗加工及半精加工后給精加工留余量，在粗加工及半精加工產(chǎn)生的變形，在精加工中可以得到糾正。

1.2 加工殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力[1]是指在沒有對(duì)零件施加外力作用時(shí)，存在于物體內(nèi)部且保持平衡的力，對(duì)于機(jī)械加工來(lái)說(shuō)，分為初始?xì)堄鄳?yīng)力和零件在加工過(guò)程中產(chǎn)生的加工殘余應(yīng)力。加工殘余應(yīng)力是由于零件在加工過(guò)程中受到切削力和切削熱作用，使零件表層內(nèi)部產(chǎn)生了新的加工殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)零件受到外力作用（機(jī)械加工主要為刀具的切削力）及切削熱（主要是刀具對(duì)已加工面的擠壓，刀具前刀面與切屑，后刀面與已加工表面之間的摩擦而產(chǎn)生的切削熱）時(shí)，使初始?xì)堄鄳?yīng)力遭到破壞，截面內(nèi)的應(yīng)力重新分布，使其某些局部產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)外力及切削熱消失后，整個(gè)零件由于殘余應(yīng)力的作用發(fā)生變形。

在加工中，切削工藝參數(shù)：切削速度Vc、進(jìn)給量f、切削深度ap的選擇，對(duì)切削力及切削熱影響較大。研究表明，在保證刀具鋒利的前提下，切削速度Vc、進(jìn)給量f、切削深度ap越大，切削力及切削熱就越大，隨之加工殘余應(yīng)力也相應(yīng)增大[2]。對(duì)切削力影響最大的是切削深度，其次是進(jìn)給量，影響較小的是切削速度；對(duì)切削熱的影響剛好相反，影響最大的是切削速度，其次是進(jìn)給量，影響較小的是切削深度；合理地選擇切削參數(shù)可以有效地減小加工殘余應(yīng)力。

一般在粗加工及半精加工時(shí)，為了提高效率，采用低轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給量、大切削深度的方式去除大余量，這樣雖然加工殘余應(yīng)力增大，但零件變形可在精加工中進(jìn)行修復(fù)[3]。精加工時(shí)，采用高速、多次的小進(jìn)給、小切削深度的加工方式，減少零件變形的可能性，保證零件加工精度，獲得好的表面質(zhì)量。

在粗加工及半精加工去除大量余量后，增加去應(yīng)力工序，去除粗加工及半精加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力引起的塑性變形。

通過(guò)對(duì)以上一般薄壁筒體零件變形原因的分析，以多功能軸為例，制定具體的多功能軸控制變形的措施，最終給出多功能軸的加工裝夾方法、工藝加工路線及切削工藝參數(shù)。

某型機(jī)多功能軸，一端內(nèi)花鍵連接低壓渦輪轉(zhuǎn)子，另一端內(nèi)花鍵連接風(fēng)扇轉(zhuǎn)子，用于將低壓渦輪的轉(zhuǎn)矩和軸向力傳遞給風(fēng)扇，是發(fā)動(dòng)機(jī)上的重要零件，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多功能軸三維圖

2 多功能軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工難點(diǎn)

2.1 多功能軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

零件毛坯：材料為TC11，Ⅱ類鍛件；零件總長(zhǎng)為208 mm，最大外徑為φ149 mm，壁厚為4 mm，屬于典型的薄壁筒體零件。外圓上有封嚴(yán)篦齒，兩端有高精度內(nèi)花鍵，花鍵對(duì)基準(zhǔn)的跳動(dòng)為0.036。零件的尺寸及技術(shù)條件要求高，多處孔為6級(jí)公差，軸為5、6級(jí)公差?？缀屯鈭A、端面跳動(dòng)多為0.02 mm，基準(zhǔn)B對(duì)基準(zhǔn)A的跳動(dòng)為0.01 mm。零件的外圓上有空間槽及空間孔。零件尺寸及技術(shù)要求如圖2所示。

圖2 高精度尺寸及技術(shù)條件示意圖

2.2 加工難點(diǎn)

3 多功能軸控制變形，保證加工難點(diǎn)的措施

3.1 工藝加工路線及工藝裝夾

通常情況下，為保證加工面對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的跳動(dòng)、同軸度等技術(shù)條件，一般是先加工出外圓基準(zhǔn)面，再裝夾外圓基準(zhǔn)面加工其他面及花鍵，保證與基準(zhǔn)面的技術(shù)條件。而該類零件由于其薄壁，如果先加工外圓基準(zhǔn)面，再以外圓基準(zhǔn)面做為裝夾基準(zhǔn)，就會(huì)使加工出的零件變形嚴(yán)重。

在粗加工外圓及精加工內(nèi)孔時(shí)，我們采用在外圓中間留工藝臺(tái)的方法，工藝臺(tái)留在外圓中間，加工時(shí)零件懸伸短，提高零件的剛度，解決了零件加工的裝夾問(wèn)題。內(nèi)孔及花鍵均以工藝臺(tái)為定位裝夾基準(zhǔn)，加工至最終尺寸，再以內(nèi)孔為定位裝夾基準(zhǔn)，加工外圓。內(nèi)孔是同一裝夾基準(zhǔn)加工，內(nèi)孔同軸度容易保證，外圓也是同軸度得到保證的同一基準(zhǔn)加工出來(lái)，這樣也解決了基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，保證外圓和內(nèi)孔的技術(shù)條件及花鍵對(duì)基準(zhǔn)的跳動(dòng)。

花鍵加工方法有展成法和成形法，展成法有插齒、滾齒；成形法有拉削、銑削、磨削等[4]。對(duì)于內(nèi)花鍵只有用插齒和拉削的加工方法，如果用拉削的加工方法，廠內(nèi)現(xiàn)有的拉床設(shè)備需要用外圓定位夾緊，加工時(shí)零件受到徑向的夾緊力，因此內(nèi)花鍵采用插齒的方法進(jìn)行加工，用工藝臺(tái)的一端面定位夾緊，另一端面支承的裝夾方式，這樣夾緊力向下而支承力向上，減少零件受力。

銑槽及鉆孔采用大端內(nèi)孔定位，端面支承，軸小端定位壓緊的方法，在五軸加工中心上一次裝夾加工完成。

具體方法如下：

1）在零件中間留工藝凸臺(tái)，如圖3所示（一般比零件最大外圓處單邊高出4～5 mm，長(zhǎng)度40 mm），對(duì)工藝凸臺(tái)的要求是凸臺(tái)兩端面對(duì)外圓的跳動(dòng)要求在0.01 mm以內(nèi)。

圖3 工藝凸臺(tái)位置圖

2）用工藝凸臺(tái)的外圓定位，端面進(jìn)行支承和夾緊。加工零件一端端面、內(nèi)腔加工至最終尺寸，包括基準(zhǔn)孔。外輪廓留少量的加工余量。

3）用工藝凸臺(tái)的外圓定位，端面進(jìn)行支承和夾緊。加工零件另一端端面、內(nèi)腔加工至最終尺寸，包括基準(zhǔn)孔。外輪廓留少量的加工余量。

4）用工藝凸臺(tái)的一端面定位夾緊，另一端面支承，插一端內(nèi)花鍵， 加工前需找正這端內(nèi)花鍵對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)孔跳動(dòng)（0.01 mm）。

5）同樣方法加工另一端內(nèi)花鍵，如圖4所示。

圖4 內(nèi)花鍵加工裝夾圖

6）用兩基準(zhǔn)內(nèi)孔定位，壓緊軸小端面，精加工外輪廓至最終尺寸，如圖5所示。

圖5 精加工外輪廓裝夾圖

7）用大端內(nèi)孔定位，端面支承，軸小端定位壓緊，在五軸上銑槽及鉆孔，如圖6所示。

圖6 銑槽及鉆孔裝夾圖

零件加工的工藝路線為：毛坯→粗車輪廓→車工藝凸臺(tái)→半精車輪廓→熱處理去應(yīng)力→精車工藝凸臺(tái)→精鏜內(nèi)腔一端基準(zhǔn)孔→精鏜內(nèi)腔另一端基準(zhǔn)孔→插一端內(nèi)花鍵→插另一端內(nèi)花鍵→清理內(nèi)腔毛刺→以兩端基準(zhǔn)孔定位粗加工去除工藝凸臺(tái)→以兩端基準(zhǔn)孔定位精車外圓輪廓→銑槽及鉆孔→去毛刺→最終檢驗(yàn)→鍍鎳。

3.2 多功能軸切削工藝參數(shù)具體選擇

切削速度根據(jù)工件材料、刀具材料及加工要求等因素來(lái)確定，多功能軸材料為TC11，其合金高溫變形性能好。

由于涂層刀片和YT類硬質(zhì)合金會(huì)與鈦合金產(chǎn)生劇烈的親和作用，不宜用來(lái)切削鈦合金，應(yīng)選用與鈦合金親和小的YG鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具。

前期，我們?cè)诩庸つ沉慵ú牧蠟門C11）外圓時(shí)，選用鎢鈷類硬質(zhì)合金刀具，我們選取的切削用量三要素為：切削速度為80 m/min，切削深度為0.5 mm，進(jìn)給量為0.2 mm/r，當(dāng)加工至11件時(shí)，刀具因切削熱燒毀而失去切削刃。

咨詢刀具廠家，查詢鈦合金加工資料，由于鈦合金熱傳導(dǎo)性差（只有普通碳鋼的1/5～1/7），切削熱不易散發(fā)，切削速度越大，產(chǎn)生的切削熱就越大，刀尖容易燒毀失效[5]。將切削參數(shù)調(diào)整為：切削速度為40 m/min，切削深度為0.5 mm，進(jìn)給量為0.25 mm/r，這樣加工30件零件時(shí)，刀具只是出現(xiàn)輕微的磨損。因此，鈦合金切削時(shí)切削速度過(guò)高，會(huì)加快刀具的磨損，刀具不鋒利后，切削力和切削熱會(huì)隨之增大，導(dǎo)致加工殘余應(yīng)力增大。

進(jìn)給量主要依據(jù)零件的加工精度及表面粗糙度要求來(lái)選擇，表面粗糙度能從側(cè)面反映出切削狀況，看進(jìn)給量及切削速度是否選擇合適，因此我們通過(guò)檢查表面粗糙度作為參考，看精加工時(shí)進(jìn)給量及切削速度選擇是否合適匹配。通過(guò)查詢資料，給出了輪廓高度最大值的參考公式[5]:

式中：Rmax為已加工表面輪廓高度最大值；f為進(jìn)給量；rε為刀尖圓弧半徑。從參考公式可看出車削的表面粗糙度與進(jìn)給量及刀尖圓弧有關(guān)。我們通過(guò)用φ30棒料鈦合金（TC11），車加工外圓，檢查表面粗糙度，來(lái)驗(yàn)證表1的正確性， 選用參數(shù)為：切削深度為0.15 mm，刀尖半徑為R0.4 mm，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，刀尖半徑及切削深度確定后，隨著進(jìn)給量的減少，零件表面粗糙度精度等級(jí)提高，但是切削速度的提高對(duì)表面粗糙度影響不大。

表1 切削速度、進(jìn)給量與表面粗糙度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

最終通過(guò)以往加工經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)，我們給出了此零件的加工參數(shù)。

切削速度：粗加工及半精加工時(shí)采用40～45 m/min。精加工時(shí)采用50～55 m/min。帶內(nèi)花鍵的薄壁傳動(dòng)軸，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面表面粗糙度為Ra1.6 μm和Ra0.8 μm，進(jìn)給量：粗加工及半精加工時(shí)為0.25～0.30 mm/r；在精加工時(shí)為0.1～0.2 mm/r，最后3次進(jìn)給量不超過(guò)0.05 mm。切削深度依據(jù)機(jī)床、工件和刀具的剛度進(jìn)行選擇，切削深度越大，切削力就越大，所需的工件夾緊力也越大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，車削時(shí)，粗加工一般為1～2 mm， 半精加工為0.5～1.0 mm，精加工為0.1～0.2 mm。

3.3 冷卻液

鈦合金車削時(shí)，需全過(guò)程使用冷卻液，不僅可以降溫，還可以起到潤(rùn)滑和沖洗帶走切屑的作用，這樣就減少切削熱及切削力，減少殘余應(yīng)力。

4 試加工

我們用最終確認(rèn)的裝夾方法、工藝路線及切削參數(shù)進(jìn)行試加工。在半精車內(nèi)腔時(shí)，選用的切削三要素為：切削速度為40 m/min，進(jìn)給量為0.25 mm/r，切削深度為0.7 mm。加工里面孔和槽時(shí)出現(xiàn)了振刀現(xiàn)象，零件表面出現(xiàn)波紋狀。分析產(chǎn)生振刀原因?yàn)椋毫慵?nèi)孔深，車削加工用的刀桿是一種加長(zhǎng)的刀桿，刀具懸伸長(zhǎng)。目前解決的辦法主要有兩種：一種是采用加粗的刀桿；另一種就是采購(gòu)專用的減震刀具進(jìn)行零件的加工，減震刀桿的結(jié)構(gòu)是在刀桿內(nèi)安裝吸振彈簧，屬于專用工具。這兩種方法都需要重新購(gòu)買刀具，對(duì)于新機(jī)試制，生產(chǎn)件數(shù)較少，經(jīng)濟(jì)性不高。我們想到了在刀柄上纏上軟膠皮，起到減震的作用的方法。

產(chǎn)生振刀的另一個(gè)主要原因是：切削速度高，切削深度大，切削力大，導(dǎo)致刀具剛度不足而產(chǎn)生振刀。我們?cè)诘侗侠p上軟膠皮，通過(guò)慢慢調(diào)整切削速度及切削深度，最終調(diào)整切削速度為30 m/min，切削深度為0.5 mm，進(jìn)給量為0.25 mm/r，振刀明顯改善。

表2 三坐標(biāo)實(shí)測(cè)值

最終零件加工的工藝路線為：毛坯→粗車輪廓→車工藝凸臺(tái)→半精車輪廓→熱處理去應(yīng)力→精車工藝凸臺(tái)→精鏜內(nèi)腔一端基準(zhǔn)孔→精鏜內(nèi)腔另一端基準(zhǔn)孔→插一端內(nèi)花鍵→插另一端內(nèi)花鍵→清理內(nèi)腔毛刺→以兩端基準(zhǔn)孔定位粗加工去除工藝凸臺(tái)→以兩端基準(zhǔn)孔定位精車外圓輪廓→銑槽及鉆孔→去毛刺→磨外圓及端面→最終檢驗(yàn)→鍍鎳。

用此方法后續(xù)又加工了8件零件， 有效地控制了零件變形，未發(fā)生因變形引起的零件幾何尺寸及圓柱度、跳動(dòng)不符合設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)象。放置2個(gè)月后測(cè)量，也未發(fā)生因變形引起的零件幾何尺寸及圓柱度、跳動(dòng)不符合設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

經(jīng)驗(yàn)證，用上述的工藝裝夾、工藝加工路線及工藝切削參數(shù)，有效控制了零件變形，保證了零件質(zhì)量，提高了加工效率，可作為此類零件加工的參考。