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編者按
針對下支座異形模鍛毛坯的零件結構和加工難點，深入分析內孔定位基準中存在的配合間隙偏差問題，從夾具、刀具和切削方式等方面進行改善。透過改進數控銑工藝夾持方法，製作可隨孔徑上下浮動的定位結構，實現精確定位技術。
1 序言
彈射筒下支座是我公司彈射救生座椅產品的重要部件，是近年來救生座椅多種改進型號的動力機構主體件、通用件，起到與機艙主體剛性連線和快速脫離的作用，投產批次不斷增多。
彈射筒下支座材質為30CrMnSiA鋼，模鍛毛坯件具有黏度較高的模鍛特性，熱處理後抗拉強度σb＝（1175±100）MPa，硬度高。
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毛坯件加工工序原工藝狀態
在生產工藝流程中，毛坯件數控精銑工序為：去除毛坯大餘量，保證總體結構強度，形成外部必要型面。該型面對彈射救生座椅與基座緊固連線及快速脫離動作起重要作用。某型支座零件結構如圖1所示。
圖1 某型支座零件結構
該工序來料是毛坯餘量大、覆蓋極硬氧化皮的狀態，如圖2所示。考慮加工時間、毛坯餘量、硬度和目標形狀等要素，採用可轉位硬質合金刀具、三面刃高鈷鋼銑刀等。
圖2 數控精銑工序加工前的毛坯狀態
工件的裝夾如圖3所示。依前工序完成的φ38mm、φ27。5mm 孔 為 主 定 位， 杆 部φ24mm為高度定位，壓持φ24mm外圓上部。
圖3 工件的裝夾狀態
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重切削下存在的問題分析
目前，避免刀具磨損過快採取的技術措施為：加大背吃刀量，確保較高的線速度。這種重切削狀態保證切削刃切削區直接越過表面硬化層，既減少了刀具損耗，又提高了加工效率。
在批次生產過程中，發現存在零件尺寸超差現象，如圖4所示。其中尺寸（10±0。10）mm超差明顯，而且無確定規律，連續粗加工兩件零件，中心距分別為9。85mm、9。55mm，初步判斷是重切削力影響了零件安置狀態。切削力大小與零件定位夾持穩定具有直接相關性：定位夾持越穩定，承載的切削力越大。為了縮短加工時間，提高材料去除率，降低刀具耗損，綜合考慮材料和刀具條件，所用的切削三要素基本達到了工藝要求。
圖4 加工超差狀態
零件的定位夾持在加工過程中不能夠較好地保持穩定的原因：觀察φ38mm、φ27。5mm主定位孔和φ24mm高度定位杆部，其中φ27。5mm孔的偏差較大，雖為臥式鏜銑加工中心鏜加工，但是仍有0。03～0。05mm的偏差，必然影響加工穩定性。定位銷與孔之間的配合間隙會造成在裝夾或切削中零件的翻轉偏移，經試驗測量，偏移量有0。2～0。5mm。工件定位的自由度分析如圖5所示。
圖5 工件定位的自由度分析
4 技術方案論證
工藝確定的基準與加工型面具有直接相關性，為了利用此基準較好地保證設計效能，必須進一步改進裝夾技術細節。
1）若杆部 φ24mm以V形塊定位，因定位點之間具有設計尺寸公差，所以為了避免過定位現象，調整每個零件的定位銷與杆部距離，以便零件放入，但是又產生了隨機性人工操作誤差。
2）在實際加工中，為了儘量減小定位間隙形成的偏差，對造成零件受力偏移的φ27。5mm定位孔進行測量，並按孔徑尺寸分類，配作了近20個定位銷。由於每年生產的產品有多個批次，各批次狀態不一，所以易造成操作中測量、分析、篩選和準備工作費時費力，非常繁瑣，然而還是有少量尺寸超差現象。
3）利用設計結構型面作為工藝定位基準是通行的便捷方式，φ38mm、φ27。5mm主定位孔的公差是由功能試驗確定的，不可調整，因此必須以一種新型結構來提高配合精度和操作效率。這裡可以採用高強度膨脹方式，有圓孔的零件可以直接用液壓膨脹心軸脹緊夾持，一般要求孔的尺寸精度為H7。但因該孔精度不符合要求，所以不能採用這一方式。而彈性機械膨脹方式要求具有相對穩定的形狀，型面精度0。01～1。0mm，為避免發生圖6a所示情況，必須採取圖6b所示高剛性緊密膨脹的微間隙配合方式。
a）小間隙配合
b）微間隙配合
圖6 工件的裝夾間隙配合示意
4）杆部φ24mm定位了垂直高度和1個旋轉自由度；φ38mm、φ27。5mm主定位孔不僅可以定位水平面內兩個直線自由度，還利用孔的較長軸線控制兩個旋轉自由度（見圖5）。此“兩孔一線”和常規的“一面兩孔”截然不同，與車削以內孔定位、端面螺紋壓緊形式屬於同一型別。“兩孔一線”與“一面兩孔”的功能和作用對比見表1。
表1 “兩孔一線”與“一面兩孔”的功能和作用對比
依據上述分析論證，確定以彈性機械膨脹方式形成技術解決方案。
5 技術方案的實施
技術方案的具體實施情況如下。
1）觀察理想裝夾過程發現，零件必須自上而下進入夾具，即：第一步， φ27。5mm定位銷插入φ27。5mm主定位孔；第二步，φ38mm定位銷插入φ38mm輔定位孔；第三步，零件繼續下行，杆部φ24mm接 觸 平 面 定 位 高 度 ， 壓 板 壓 持 兩 段φ24mm杆部，裝夾完畢。
2）透過上述裝夾推演過程，引發新思路，即充分利用裝夾下行運動引導膨脹定位過程，達到配合緊實的穩定作用。隨孔徑上下浮動定位結構如圖7所示，由徑向膨脹結構、軸向作動結構和定位中心軸組成。作用過程為：零件下行套入φ27。5mm定位銷，在繼續下壓過程中，軸向作動結構產生反作用力，向上推頂徑向膨脹結構，下行運動越深，上頂力越大，與壓力彈簧的線徑、外徑和有效圈數成正相關。軸向作動結構的上頂力促使徑向膨脹結構發生膨脹，從而脹緊 φ27。5mm主定位孔，起主體定位作用。
圖7 隨孔徑上下浮動定位結構
3）加工中， φ40mm×10mm T形刀的主切削力為873N，進給力為288N，徑向力為305N。定位主體材料及中心軸選用合金工具鋼淬火材料製作，抗拉強度為1175MPa，與膨脹節的配合間隙為0。005mm，定位結構剛性高。選用的高剛性壓力彈簧的總剪應力為2173。61N。
4）膨脹節配合面與定位孔的長度之比為5∶6，在避讓內部突出型面的情況下使φ27。5mm膨脹銷長度達到最長，從而在強力膨脹之後產生的結果是：在穩固φ27。5mm定位孔的同時，與之相關的所有型面群組均達到垂直、平行或其應有的理論位置。
5）夾具要調整膨脹節“壓力彈簧的行程”，達到壓力最大，在杆部φ24mm未下降到定位平面高度時可繼續下降，不斷下壓的軸向彈性勢能進一步加強了徑向膨脹力度和趨勢，穩固了φ38mm、φ27。5mm 孔 的 定 位受 力效能 ， 以 滿 足 零 件（10±0。10）mm精度要求。
6）透過調整夾具主體，安裝彈性機械膨脹定位結構，找正整體裝夾狀態。隨孔徑上下浮動定位技術應用如圖8所示。試切過程穩定，質量指標良好，達到了預期目標。現已進行了20多個批次的生產，質量穩定。
圖8 隨孔徑上下浮動定位技術應用示意
6 結束語
由於模鍛毛坯件熱處理後抗拉強度σb＝（1175±100）MPa，黏度高，硬度高，形狀奇特，因此工藝要素中的刀具（切削三要素）、夾具（定位、夾持）、裝置（剛性、響應速度）和人員（專業能力、應變能力）必須在客觀條件下取得均衡，綜合運用，從而達到最優效能。
透過現場操作和技術剖析，獲得以軸向直線運動驅使徑向擴充套件膨脹的技術新型別，膨脹節與中心軸材料必須選用耐磨損的高強度合金工具鋼，透過高精度配合提高結構剛性，調節壓力彈簧行程，機械勢能轉化為彈性形變，使之在運動中產生最大的反作用力，進而轉化為強大的膨脹剛性。
壓力彈簧線材如不鏽鋼絲的剛性模數 G =7300，彈簧使用壽命為600h/根，即連續生產600h更換一次彈簧。這裡必須強調，選配壓力彈簧時，必須對機械加工的切削負荷進行科學計算，確保其膨脹剛性和耐用性。
本文發表於《金屬加工（冷加工）》2021年第5期第15~18頁，作者：航宇救生裝備有限公司金鑫、金潤一，原標題：《重切削下異形毛坯件隨孔徑浮動精確定位技術》。
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