十字體零件加工工藝

針對十字體零件的結構特征和加工難點，從原材料、熱處理和機械切削等方面逐一分析，通過合理的工藝設計，采用粗、精加工和基準統一的方法，避免了加工過程中出現的質量問題。

煙草機械屬于特殊設備，采取訂單式投產，零件生產批量一般小于5件/批次，屬于多品種小批量離散型加工。十字體零件是濾棒成型機組中的刀頭組件中心連接傳動部件，設備工作時，該零件帶動刀頭做高速旋轉運動，設計精度要求較高，零件精度直接影響刀盤部件動平衡量和煙支濾棒切口質量。

圖1為十字體零件三維模型，零件整體為中心對稱結構，材質為20CrMnTi。圖2為十字體零件加工尺寸要求（局部）。零件四周有4個φ18.27h4樞軸，樞軸相互之間垂直度、同軸度均為0.01mm，樞軸與零件側壁垂直度為0.01mm。樞軸要求局部滲碳淬火，淬火后硬度58～63HRC，設計精度高，材料難加工。零件下料尺寸為φ220mm×66mm，加工過程中金屬去除率達到91%，材料去除量大，加工變形不易控制。

圖1　十字體零件三維模型

圖2　十字體零件加工尺寸要求（局部）

滲碳淬火是金屬材料常見的一種熱處理工藝，可以使低碳鋼工件具有高碳鋼的表面層，再經過淬火和低溫回火，使工件的表面層具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。該熱處理方式由滲碳和淬火兩部分組成，在淬火過程中，只有前期滲碳區域硬度會發生較大變化。針對有局部滲碳淬火要求的零件，加工過程中可以通過零件整體滲碳，然后去除非淬火區域滲碳層，再進行淬火，從而達到局部淬硬的目的^[1]。

4個樞軸要求局部滲碳淬火硬度58～63HRC，滲碳層深度DC為1.2～1.4mm。為了便于后續機械切削加工，應保證4個樞軸硬度達標的同時，零件其余部位硬度不發生變化。為此，需要通過控制滲碳層區域來達到控制淬火區域硬度的目的。由于滲碳層深度DC要求為1.2～1.4mm，所以滲碳前粗加工時需保證非淬火面加工余量＞1.4mm，同時為了最大限度消除粗加工過程中導致的應力集中，考慮采用中間件粗加工加人工時效的方式。

零件四周側壁加工后的最終尺寸為110mm×70mm，為了控制滲碳區域，將中間件四周側壁尺寸粗加工成120mm×80mm，4個樞軸尺寸粗加工成mm。粗加工尺寸要求如圖3所示。滲碳處理后，通過半精加工，將中間件四周側壁尺寸加工成111mm×71mm，保證四周側壁滲碳區域被完全去除。粗加工和半精加工工藝流程見表1。半精加工尺寸要求如圖4所示。

圖3　粗加工尺寸要求

表1　粗加工和半精加工工藝流程

圖4　半精加工尺寸要求

因4個φ18.27h4樞軸精加工時硬度為58～63HRC，需采用外圓磨削加工。為保證4個樞軸的幾何公差，磨削加工前要保證樞軸頂端60°中心孔幾何精度＜0.01mm，因此必須設計專用工裝，保證4個樞軸頂端60°中心孔位置精度。

經過分析，發現零件底部有兩處φ5E8銷孔，可以采用一面兩銷的定位方法。一面兩銷定位是機械加工中最常采用的定位方式之一，屬于完全定位。它是以一個面為第一定位基準，以垂直于這個基準面的并和基準面相通的兩個孔作為另兩個基準的一種定位方式。使用時，為便于裝夾，預防過定位，兩銷釘分別選用圓柱銷釘和菱形銷釘^[2]。

同時，由于零件底部四周有4處M4螺紋孔，所以零件在工裝上的夾緊方式選用下拉式夾緊，即零件一面兩銷定位后，用螺釘下拉4處M4螺紋將零件緊固到工裝上。精加工工裝如圖5所示。

圖5　精加工工裝

考慮到粗加工后，寬82mm、深7mm開擋及2處15°斜面尚未加工，依然存在大量余量，加工過程中依然存在零件變形風險。同時，φ23mm孔、φ18N7孔、φ14N7孔及4個R40mm圓弧面（見圖1右上1/4圓弧）等部位的粗加工同樣存在零件變形風險。為了使變形量在加工4個樞軸頂端60°中心孔之前完全消除，需將上述部位在平面磨床磨削兩平面之前進行半精加工。針對非公差尺寸，在不影響后續加工的前提下，可以在平面磨床磨削前加工完成。為了便于平面磨床加工，在半精加工時選擇將51mm上下兩平面均留0.2mm磨削余量^[3]。精加工工藝流程見表2。

表2　精加工工藝流程

50工序C40U五軸加工中心采用工裝以51mm上面平放校平，因機床存在定位精度誤差，同時工作臺轉動時存在軸向圓跳動誤差，機床誤差若不排除，可能造成4個樞軸軸端60°中心孔位置超差，致使零件報廢。針對機床精度誤差問題，考慮4個樞軸加工各自60°中心孔時，單獨建立相對應的坐標系，即用雷尼紹3D測頭找正工件后，每個面用雷尼紹3D測頭單獨標定加工基準，排除機床精度誤差，保證4個樞軸軸端60°中心孔位置誤差≤0.01mm。因4個樞軸端面垂直度為0.01mm，所以加工時需保證軸外圓與端面“一刀落”，通過外圓磨床磨外圓帶磨軸端面。考慮磨端面時砂輪會磨到機床頂針，為了避免造成頂針損傷，工藝設計時將4個樞軸軸端60°中心孔更改為60°中心孔加120°護錐的形式，使樞軸端面與機床頂針在磨削面上產生一定縫隙，從而避免磨削干涉。80工序采用外圓磨床以兩頂頭孔定位，磨4處φ18.27mm軸外圓，帶磨（150±0.05）mm及（110±0.05）mm軸端面，保證4軸中心在一個平面的誤差≤0.01mm，保證其余各公差要求。

90工序采用線切割設備加工4 個樞軸軸端1mm×90°V形槽，是因為4個樞軸滲碳淬火后硬度達到58～63HRC，常規刀具難以實現銑削加工，所以采用線切割進行放電加工。若在滲碳淬火前加工V形槽，會破壞4個樞軸軸端60°中心孔形狀，導致外圓磨床加工樞軸外圓時定位不準確，因此必須將V形槽放置到外圓磨床工序之后加工。

圖6為十字體零件加工成品，圖7為十字體零件裝配驗證。

圖6　十字體零件加工成品

圖7　十字體零件裝配驗證

經三坐標測量機檢測，十字體零件所有尺寸公差均符合圖樣要求，零件合格。

十字體零件質量對于濾棒成型機穩定運行至關重要。該零件設計精度要求高，材料難加工，材料去除量大，加工變形不易控制。在工藝設計過程中，巧妙采用預防和補救措施，“借助”磨削來“修正”銑削的變形誤差，增加中心孔護錐避讓端面磨削，這些細節很好地保證了零件加工質量。該工藝方案已推廣應用到其他相似零件的加工上，取得了很好的成效。