端蓋是汽車、火車減振阻尼器上的一個(gè)重要安全性零件，屬大批量生產(chǎn)產(chǎn)品，適合高效的自動(dòng)化生產(chǎn)線加工。本文通過對(duì)所有工藝要素進(jìn)行全面分析和難點(diǎn)解決，全面實(shí)現(xiàn)了加工作業(yè)流線化，為后期自動(dòng)加工線的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。
圖 1
端蓋（見圖1）是用2.5mm厚的普通碳素冷軋鋼板深沖成形后再進(jìn)行切削加工而成的薄壁蓋類零件，材料為ST14，抗拉強(qiáng)度為270MPa，硬度為80HB，材料特性為延伸性較好但切削性較差。主要切削部位是外圓上的螺紋，經(jīng)表面鍍鋅后的精度等級(jí)為6級(jí)（基本偏差為g），裝入阻尼器后螺紋的破壞拉力為20kN以上，所以螺紋加工精度的可靠保障還涉及到安全性，如何來(lái)達(dá)成是本課題的研究?jī)?nèi)容。螺紋切削加工的難點(diǎn)為：
①由于零件的加工基礎(chǔ)件是沖壓拉伸而成，不可避免地會(huì)產(chǎn)生脫模錐度、壁厚拉薄不勻及端口皺褶等缺陷，給尋找加工定位基準(zhǔn)、克服裝夾變形帶來(lái)很大的困難。
②零件切削剛性較差，很容易產(chǎn)生切削振紋等缺陷，不利于高速切削。
③零件材料的低硬度、高韌性對(duì)于金屬切削是不利的，尤其是螺紋加工更為明顯。
④圖樣要求表面進(jìn)行鍍鋅處理，鍍層厚度為5～15μm，即零件在切削加工完成后須覆蓋鍍鋅層，考慮到鍍鋅層厚度誤差對(duì)螺紋精度的影響，在嚴(yán)格控制鍍鋅層厚度的同時(shí)，還必須將螺紋加工時(shí)的精度等級(jí)由6級(jí)提高到5級(jí)，以確保表面鍍鋅處理后螺紋精度等級(jí)仍保持在6級(jí)以內(nèi)，對(duì)于大批量生產(chǎn)來(lái)說，難度不小。
（1）加工定位基準(zhǔn)選擇困難是由于車削加工前的基礎(chǔ)件是沖壓坯料，存在外形不規(guī)則的問題，例如，內(nèi)外圓有拔模錐度、壁厚不勻、端口皺褶及上端平面有沖孔后形成的應(yīng)力凹弧面等，所以在該坯料上找不到較為平整規(guī)則的內(nèi)、外圓和平面可以直接作為螺紋加工的基準(zhǔn)。
（2）由于零件壁厚較薄，又沒有平整規(guī)則的定位基準(zhǔn)，所以裝夾變形難以避免，造成的后果是：零件在裝夾后產(chǎn)生微小變形的情況下，完成切削加工并達(dá)到了精度要求，但只要裝夾一松開，裝夾變形就會(huì)還原，從而失去已達(dá)到的精度，最終無(wú)法達(dá)到精度要求。
（3）材料切削性差。該零件坯料的沖壓拉伸量較大，必須采用含碳量較低、韌性較好的材料來(lái)制作。ST14鋼板雖有較好的延伸性，能使零件順利拉伸成形，但強(qiáng)度、硬度的下降會(huì)降低切削性，給切削加工帶來(lái)一定的困難。主要影響因素是在切削過程中易產(chǎn)生粘刀和刀尖切屑瘤等狀況，從而破壞零件的幾何尺寸精度和表面粗糙度，尤其是螺紋的高速切削加工，因走刀速度快、刀尖圓弧小，更容易發(fā)生這種情況。
（4）零件自身剛性不足。零件非?！皢伪 保庸ず蟊诤褡钚√幉蛔?mm，理想的加工方式是以坯料內(nèi)孔來(lái)定位夾緊，進(jìn)行外圓及螺紋的切削加工。這種加工方式的切削力方向?qū)?zhǔn)定位面則剛性好。但由于坯料的拔模錐度致使內(nèi)孔呈微小的喇叭狀、圓度形狀不規(guī)則和壁厚不均勻等缺陷，唯一能選擇的是以零件相對(duì)平整的端面作為主定位基準(zhǔn)面，將其壓緊后進(jìn)行切削加工，這種方式的徑向切削力方向平行于定位支承面，并且離開基準(zhǔn)支承面還有一定距離，剛性不是很好。此外，由于該基準(zhǔn)面不是一個(gè)完全平整的平面，所以與夾具定位面的接觸剛度也不足。在這種情況下，為了避免工件變形，裝夾時(shí)不能達(dá)到充分壓緊狀態(tài)，工件與夾具的一體性就不會(huì)很好，加劇了切削剛性的下降，切削表面的振紋、粗糙等缺陷也會(huì)隨之而來(lái)。而自動(dòng)生產(chǎn)線是要連續(xù)生產(chǎn)的，要求的是能夠穩(wěn)定、可靠、高效和光亮美觀地達(dá)到精度等級(jí)要求。
（5）該零件鍍鋅后的螺紋精度等級(jí)為6級(jí)，考慮到表面鍍鋅層厚度和鍍鋅產(chǎn)生的誤差而導(dǎo)致加工后螺紋的精度改變，在加工螺紋時(shí)必須留有必要的鍍鋅余量?？紤]到生產(chǎn)過程中盡量采用標(biāo)準(zhǔn)量具（螺紋規(guī)）的原則，通過對(duì)鍍鋅膜厚要求和鍍層誤差對(duì)螺紋影響的計(jì)算，只能將精度提高一個(gè)等級(jí)，來(lái)確保鍍后螺紋的精度等級(jí)，這樣在車削螺紋時(shí)就以5級(jí)精度要求進(jìn)行控制，這一工藝措施又使加工難度增加了很多。
要想加工出高精度的螺紋，基本思路是設(shè)法通過對(duì)沖壓坯料進(jìn)行二次加工，來(lái)制造一個(gè)能夠達(dá)到要求的定位基準(zhǔn)，步序是以沖壓坯料的粗基準(zhǔn)定位來(lái)加工出較精基準(zhǔn)，再以該較精基準(zhǔn)定位來(lái)加工出精基準(zhǔn)，最后利用該精基準(zhǔn)定位來(lái)加工出滿足精度要求的合格螺紋。
圖 2
（1）首道工序的定位基準(zhǔn)選擇與加工。首道工序的選擇別無(wú)他法，只能選擇沖壓坯料的粗基準(zhǔn)來(lái)加工出較精基準(zhǔn)。根據(jù)產(chǎn)品圖樣要求，φ26mm為基準(zhǔn)孔，關(guān)鍵尺寸M55×1.5mm外螺紋與其有同軸度要求。由于孔是沖壓而成，相對(duì)比較規(guī)則，尺寸一致性也較好，可以用來(lái)作為第一定位基準(zhǔn)，然后再利用φ4.2mm孔輔助定位。其次，利用相對(duì)較為平整的上端的內(nèi)平面作為第二定位基準(zhǔn)，這樣就實(shí)現(xiàn)了一面二孔的完全定位。在定位基準(zhǔn)選擇完成后，可進(jìn)行夾具方案的設(shè)計(jì)（見圖2），以零件的上端面為壓緊面，通過機(jī)床尾架安裝的活絡(luò)頂針+壓塊壓緊零件。然后對(duì)其外圓和端口進(jìn)行切削，加工出較為規(guī)則、具有較高精度的基準(zhǔn)。從圖1可以看到，由于φ26mm孔有表面粗糙度要求，且與螺紋有同軸度要求，作為后道工序螺紋加工的精基準(zhǔn)來(lái)使用的話，顯然工序能力還是不足的，此時(shí)必須在沖壓時(shí)留些余量，再經(jīng)切削加工來(lái)達(dá)到。鑒于這種定位方式和工序要求的考慮，必須對(duì)上一道沖壓坯料工序提出兩方面的工藝要求：①主定位孔應(yīng)留有0.5mm切削余量，將圖樣要求為φ26mm的孔在沖壓工序中設(shè)定為φ25.5mm。②沖孔時(shí)的沖壓方向必須是由內(nèi)向外，使得沖孔引起的毛刺不產(chǎn)生在零件的內(nèi)平面上而影響定位效果。這樣，本工序的實(shí)際基準(zhǔn)確定為端蓋的內(nèi)平面和φ25.5mm、φ4.2mm兩個(gè)孔。該方案存在的不足是，沖孔后該基準(zhǔn)平面上的5個(gè)孔周圍會(huì)形成凹凸應(yīng)力弧面，并且隨孔直徑大小不同所產(chǎn)生的沖孔應(yīng)力不同，會(huì)引起大的應(yīng)力弧面高低不一，也就是說，從微觀上來(lái)講該平面是不平的，因而當(dāng)該平面被壓緊后，零件仍會(huì)有少量變形。為了避免該缺陷對(duì)螺紋加工工序的影響，在本工序的外圓、端口加工時(shí)，均要留一定的余量與螺紋加工工序同時(shí)加工，以確保螺紋及相關(guān)位置的精度要求。通過本工序?qū)ν鈭A及端口的切削加工，去除了沖壓形成的外圓拔模錐度和端口拉伸皺褶等缺陷，得到了一個(gè)形狀較為規(guī)則并有一定精度的外圓和下端面口，建立起了一個(gè)新的并具有一定精度的定位基準(zhǔn)，為尋找出下一個(gè)定位基準(zhǔn)奠定了良好的基礎(chǔ)。
（2）第二道精定位基準(zhǔn)的加工方法和夾具設(shè)計(jì)要點(diǎn)。本工序是在已完成的首道工序基礎(chǔ)上，對(duì)螺紋加工所需基準(zhǔn)中的主定位面和主定位孔進(jìn)行精細(xì)加工。將首道工序中經(jīng)過加工的外圓和端面口為基準(zhǔn)，放入設(shè)有端面定位靠山、內(nèi)弧面經(jīng)過加工的“軟”爪內(nèi)（見圖3），軟爪內(nèi)弧面直徑至與零件上一道工序加工后的外圓直徑相同，零件口部的端面緊靠三爪自定心卡盤的定位端面，然后輕輕夾緊三爪自定心卡盤，夾緊力的把握要在實(shí)踐中摸索。因本工序主要目的是進(jìn)行螺紋加工工序所需的基準(zhǔn)修正，切削量很小，所以?shī)A緊力的把握以能夠克服切削力、減少工件的變形為主要考慮要素。適度夾緊后，進(jìn)行螺紋加工所需的主定位基準(zhǔn)面的切削，此時(shí)的定位面與被加工面是基本平行的，所以切削量在0.2～0.3mm就足以把整個(gè)平面加工出來(lái)。完成主定位面加工的同時(shí)，將φ25.5mm沖壓孔加工到φ26～φ26.05mm，再按圖樣要求把孔的倒角、表面粗糙度等相關(guān)要求加工到位，以作為螺紋加工的主定位孔使用，這樣就建立了螺紋加工的精定位基準(zhǔn)。本工序所用夾具是利用機(jī)床隨機(jī)配置的三爪自定心卡盤，安裝上調(diào)質(zhì)鋼制成的“軟爪”，利用軟爪的可車削性隨車將其內(nèi)爪面鏜削至與被加工件相同直徑，目的是盡可能地增大與工件的夾緊面積來(lái)分散單位面積的壓力，以減少工件的變形。由于此三爪自定心卡盤是集定位與夾緊于一體的，所以加工時(shí)要注意兩點(diǎn)：①鏜孔時(shí)在三爪自定心卡盤后部夾持一塊厚5mm以上的圓形鋼板，目的是在鏜削三爪內(nèi)圓面時(shí)，卡盤內(nèi)螺旋盤系統(tǒng)的間隙與夾緊工件時(shí)的間隙方向一致，能使鏜出的圓弧面直徑與零件外圓在夾緊時(shí)更加貼合，同時(shí)也能起到提高鏜削三爪時(shí)的切削剛度的作用。②軟爪內(nèi)圓弧面軸向底部臺(tái)肩的高度作為端面的定位靠山，臺(tái)肩高度向中心方向凸出內(nèi)圓弧面2mm以上即可。
圖 3
（3）最終工序定位基準(zhǔn)和夾具形式的選擇。通過以上兩道工序的加工，獲得了該零件進(jìn)行螺紋加工的精確基準(zhǔn)，可基本消除零件的裝夾變形對(duì)加工精度的影響，提高定位面的切削剛度，滿足了高精度螺紋高速切削的基本條件。零件有了精確的定位基準(zhǔn)后，夾具設(shè)計(jì)的合理性也很重要，除了要確保零件加工后的尺寸精度和形狀位置精度滿足圖樣要求外，針對(duì)加工對(duì)象自身剛性不足的特點(diǎn)，要最大程度地提高夾具剛度來(lái)彌補(bǔ)零件自身剛度的不足。夾具形式如圖4所示，根據(jù)加工對(duì)象規(guī)格的不同，可做成相應(yīng)規(guī)格的夾具。方案a的優(yōu)點(diǎn)是更換品種重復(fù)拆裝不失精度，但剛性要略遜于方案b，設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：錐柄右側(cè)的長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短（在機(jī)床允許范圍內(nèi)），而連接圓角應(yīng)盡可能大，有利于剛性的提高。方案b的剛性要略優(yōu)于方案a，并且制作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是每次更換加工對(duì)象的規(guī)格時(shí)要校正徑向、軸向跳動(dòng)。兩種方案各有利弊，可根據(jù)實(shí)際情況選擇。
以上都是為了能在該薄壁蓋類零件上加工出高精度螺紋而創(chuàng)造的基本條件，從方案上解決了該零件加工的主要難題。考慮到最終要實(shí)現(xiàn)流線化大批量自動(dòng)化生產(chǎn)，必須實(shí)現(xiàn)100%加工合格率的目標(biāo)，因此要建立完整的質(zhì)量保證體系。要把該零件整個(gè)制作體系中的工藝流程、質(zhì)量控制要素和作業(yè)規(guī)范都固定下來(lái)并形成書面文件，提供給管理者和作業(yè)者作為日常生產(chǎn)調(diào)度、質(zhì)量檢測(cè)、量具刃具和工裝設(shè)備等基礎(chǔ)管理文件的依據(jù)。
工藝流程設(shè)計(jì)是將正確的工藝流程、工序要求固定下來(lái)，并對(duì)每道工序的控制要素加以規(guī)范，來(lái)滿足最終產(chǎn)品的質(zhì)量要求。如：該零件最終工序?yàn)殄冧\，那么在鍍前的加工工序中就必須采取相應(yīng)的減小其相關(guān)尺寸、提高相關(guān)精度等措施。將全過程的工藝流程、質(zhì)量控制要素和檢測(cè)規(guī)范等要求編制成工藝質(zhì)量控制表，作為全過程日常管理的基本文件。
工藝質(zhì)量控制表的編制說明如下：
（1）該表的主要功能是編排了能夠確保加工質(zhì)量并環(huán)環(huán)相扣、相互保證的工藝流程、尺寸控制要素和質(zhì)量控制管理的基本要求。
（2）工藝質(zhì)量控制表中的首道工序（坯料沖壓）為外協(xié)工序，但沖壓坯料的外徑、長(zhǎng)度和孔徑等尺寸的相關(guān)工序余量是根據(jù)后一道工序的車加工保證能力，以及查閱相關(guān)手冊(cè)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)估計(jì)而得，并通過一定數(shù)量的試加工來(lái)驗(yàn)證確認(rèn)的。
（3）為了確保圖樣要求的M55×1.25-6g螺紋與下端部外圓同軸和與下端面垂直的幾何公差要求，在編制工藝流程時(shí)，將這部分加工內(nèi)容放在同一次裝夾條件下完成。
（4）考慮到鍍鋅的影響，提高了螺紋加工精度，相應(yīng)減小了部分尺寸的公差，以確保鍍鋅后的尺寸仍在圖樣規(guī)定的公差范圍內(nèi)。所以表中工序尺寸（公差）與圖樣尺寸是不一致的，零件加工生產(chǎn)時(shí)應(yīng)按工藝文件（如作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）的相關(guān)要求執(zhí)行，相對(duì)應(yīng)的檢具也是如此。
（1）螺紋加工夾具形式的確定。根據(jù)圖4所示螺紋車夾具及其利弊分析，考慮到該零件為系列產(chǎn)品，在生產(chǎn)過程中有更換加工對(duì)象零件規(guī)格的需求，故選擇方案a較為合適。但從圖4a中也可以看出，在端面加工時(shí)，刀具與壓緊頂針的距離很小，調(diào)試時(shí)稍有不慎就會(huì)撞刀，存在一定的隱患，由此在批量生產(chǎn)的夾具設(shè)計(jì)中作了一定的改進(jìn)。
（2）夾具定位基準(zhǔn)尺寸精度的確定。該夾具采用了較為典型的“一面兩銷”組合定位方案，以經(jīng)精細(xì)加工過的上端面和φ26mm主定位孔以及φ4.2mm輔助孔作為零件的定位基準(zhǔn)，同時(shí)在夾具對(duì)應(yīng)的端面（定位面）上設(shè)計(jì)兩個(gè)定位銷軸，使工件在夾具中完全定位。然后參考夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)的推薦數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定主要定位基準(zhǔn)相關(guān)要求。
機(jī)床、刀具、切削液和切削用量等要素也是切削加工工藝鏈中的重要保障。在機(jī)床的選擇上，主要考慮機(jī)床的剛性、精度，以及應(yīng)具有功能稍強(qiáng)的數(shù)控系統(tǒng)；刀具方面，要選擇高剛度的刀桿和品牌刀片，選擇刀片類型時(shí)一定要認(rèn)真參閱刀具樣本；切削液應(yīng)選擇具有冷卻、潤(rùn)滑、防銹防腐和除油清洗等功能的油性液，采用高壓噴射形式；切削用量的合理選擇非常重要，需要在實(shí)踐中不斷摸索，將成熟的參數(shù)編制成數(shù)控程序固定下來(lái)。這樣就建立了零件加工完整的保證體系。
針對(duì)零件的特殊性，通過對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)采取特殊措施后，穩(wěn)定地車削出5級(jí)精度的螺紋，并且以1 000r/min以上的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量穩(wěn)定、快速高效以及螺紋光亮美觀的目標(biāo)。