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)過程中,，通過設(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,，歸納起來主要有以下幾個(gè)方面：
(1) 受熱變形,。工件加工過程中會(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，筆者將通過變形管的具體加工實(shí)例來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,，以此來保證列車在正常牽引制動(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)車車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，安裝在中間車導(dǎo)向桿上,，在管口部位安裝一個(gè)加壓塊3,，通過對(duì)管子擴(kuò)口的變形來吸收能量。一般變形管配合橡膠緩沖器一起使用,，列車正常聯(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，才能有效降低列車的縱向沖擊,，保證車底架不產(chǎn)生永久變形,，提高列車的運(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,，可微見加工痕跡,，需要精車實(shí)現(xiàn)；②內(nèi)孔面：直徑為Φ95 mm,，表面粗糙度為Ra3.2 μm,粗車后再精車,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,，將夾爪安裝在卡盤上，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
薄壁管零件在車削的過程中,，合理使用刀具的幾何參數(shù)對(duì)車削時(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：精車薄壁管零件時(shí)，要求刀柄剛度高,，車刀的修光刃不能太長(zhǎng),，車刀刀刃一定要鋒利。
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：主軸轉(zhuǎn)速350 r/min～450 r/min,，進(jìn)給量0.1 mm/r～0.2 mm/r，留精車余量0.1 mm～0.3 mm,；②內(nèi)孔精車：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：主軸轉(zhuǎn)速400 r/min～500 r/min,，進(jìn)給量0.2 mm/r～0.3 mm/r，留精車余量0.2 mm～0.4 mm,；④外圓精車：
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。車平端面，粗車內(nèi)孔,，全部見光即可,；③撤中心架，三爪撐持內(nèi)孔,，尾針頂緊,，粗車外圓，見光即可,；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,。精車至尺寸,。
經(jīng)過多次試驗(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。