大型压力设备用的辊端接头机械加工工艺详解

辊端接头如图3-48所示，该零件是大型压力设备的主传动轴上的轴端接头，承受较大的转矩和冲击载荷，属于产品的重要零件。要求制订完整的加工工艺，并按图编写加工8°大“X”形斜面、8×M36×2的螺栓孔数控程序。

1.零件加工的工艺分析

（1）确定生产类型 该零件所属产品为重型机械设备，年产量少，不超过30件，所以属于单件小批生产的类型。

（2）零件的毛坯方面 采用合金材料42CrMo制作锻件毛坯，调质硬度要求达到256～295HBW，以达到较强的力学性能。这就使机械加工工艺变得复杂，在毛坯粗加工后必须进行超声波探伤，没有问题才进行调质处理。为了检查调质处理后零件的内部质量，在半精加工后，再进行一次超声波探伤，合格后才转入下道工序。由于调质硬度高，对切削刀具的性能要求高，所以在购买或设计专用刀具时，要选择好的刀具材料。

（3）零件的技术精度分析 对零件的尺寸和精度的正确性与合理性进行审查，提出修改或合理化建议。

零件图中的重要加工表面有装配定位面φ695H7、内孔配合面φ450H7、键槽配合面100H7，最高配合精度为H7，几何精度最小为0.025mm，对于φ720mm、长690mm的零件，如果在普通机床上加工，其精度要求偏高。例如，键槽配合面100H7的尺寸公差和几何公差都很小，只有在数控机床上加工才能够达到。

个别精度要求过高的，应该向设计者提出修改建议。例如，图中φ695H7₀^+0.08mm的配合精度要求偏高。因为该配合的目的是使键槽100H7mm和8×M36×2的螺栓能够达到装配要求。但是φ695H7mm较小公差反而会影响键槽100H7mm的配合，又因为螺栓与螺栓孔之间有一定的间隙，对它们的装配影响有限，故将φ695H7改为φ695H8，以降低该尺寸的加工难度。

（4）零件加工的工艺性 在零件的工艺性方面，R35mm和8°的斜面是难加工的，既要保证曲面的准确性，又要保证两个曲面与键槽中心的对称性，只有在数控铣床、镗床上用程序加工才能实现，而且要准备专用刀具和用以检查对称性的样板。

在内孔中，R20mm的退刀槽加工工艺性不太好，因为在φ450H7孔底有φ200mm×8mm的台阶，给加工R20mm的退刀槽造成困难，建议设计者去掉台阶，使加工R20mm的退刀槽较为方便。如果不能修改，必须采取工艺措施。

2.加工方案的制订

根据上述对零件的毛坯、热处理要求、加工精度和工艺性的分析，制订零件的整体加工方案和重要工序的加工方案。

（1）制订零件的整体加工方案 整体加工方案制订为：粗车（粗车内、外圆及总长）—探伤—调质—半精车—探伤（检查调质中有无缺陷）—精车（内、外圆及总长）—划扁方加工线—数控加工—钻孔—钳工。

（2）制订完整的加工工艺 以“辊端接头”为例，提供一份完整的机械加工工艺卡（表3-14）、数控加工工艺及程序卡（表3-15），供读者学习借鉴。

图3-48 辊端接头

表3-14 机械加工工艺卡

（续）

（续）

（续）

注：C61125——φ1250mm卧式车床，T615K——φ150mm卧式数控镗床，B5100——1m插床，RAPID5C——φ160mm卧式数控镗铣床。

表3-15 数控加工工艺及程序卡

3.重要工序的加工方案制订

“X”形斜面、100H7键槽与8×M36×2螺纹等是零件重要的工序，需要制订具体的加工方案，具体见数控加工工艺（控制）卡。

8°大“X”形斜面的加工坐标零点设为G54，各坐标点如图3-49所示，各坐标点的坐标值见表3-16。

图3-49 辊端接头的大“X”形斜面各坐标点

表3-16 辊端接头的大“X”形斜面各坐标点的坐标值

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8°大“X”形斜面的加工分两步：

第一步：

a₂b₂c₂d₂e₂f₂g₂h₂和a₄b₄c₄d₄e₄f₄g₄h₄是直台阶，可用立铣刀加工出来。

第二步：

a₁b₁c₁d₁e₁f₁g₁h₁和a₃b₃b₃c₃d₃e₃f₃h₃是8°的斜台阶，要用成形刀加工，因此加工8°大“X”形斜面，先划线，确定加工轮廓，在坐标普通镗床上，按坐标点连线a₂b₂c₂d₂e₂f₂g₂h₂和a₄b₄c₄d₄e₄f₄g₄h₄划线，成一个大写的“X”形，按先粗后精的原则，用立铣刀先粗加工R35mm的曲面，然后在数控镗床上用程序进行精加工。如果R35mm的曲面在数控机床上连续进行粗、精加工，就会引起较大的误差和变形。

1）R35mm的表面粗糙度值为Ra1、6µm的曲面必须在数控镗床上用程序加工，为了保证曲面形状准确，设计成形铣刀，如图3-50a所示。在加工R35mm曲面之前，先在T68镗床上用端面铣刀按所划的曲面线和75mm深度进行粗加工，各留精加工留余量2mm。

2）为保证左、右两个R35mm曲面相对于100H7键槽的对称性，必须设计R35mm曲面的检验样板，如图3-50b所示。

3）为保证8×M36×2−6H螺孔的位置精度，必须在数控镗床上用程序钻螺纹底孔和攻螺纹，要设计M36×2−6H的粗、精加工丝锥。

4）由于这些表面之间的相互位置精度要求高，最好是一次装夹能够全部加工，为此要设计90°专用V形块，作为定位夹具，如图3-50c所示。

图3-50 辊端接头的工装及装夹

a）R35mm成形铣刀 b）R35mm曲面检验样板 c）工件装夹

4.成形铣刀的设计

为了保证大“X”形8°锥形体的加工，根据锥形体轮廓几何形状特点，设计了专用成形铣刀，在SolidWorks软件的三维设计环境中，模拟工件和刀具在实际加工时的相互位置关系，利用其三维造型功能，完成成形铣刀三维实体设计及前面内的投影视图，从而精确设计出铣刀廓形。铣刀刀头为倒回转圆锥台状，刀头上均布着4～6条切削刃，相邻切削刃刃口对刀杆中心线的径向圆跳动不大于0.01mm，可以保证大“X”形8°锥形体的形状和尺寸精度及较高的生产率。

5.编制程序

（1）“X”形直台阶的编程 选用立铣刀，分别用子程序“%O511”与主程序“%O207”加工直台阶，子程序只编写“a₂b₂c₂d₂e₂f₂g₂h₂”的“X”形一侧直台阶，“a₄b₄c₄d₄e₄f₄g₄h₄”的“X”形另一侧直台阶采用G51.1镜像指令（或用G24），以简化程序。

程序如下：

（2）R35mm曲面的编程 分别用粗、精加工成形铣刀加工a₁b₁c₁d₁e₁f₁g₁h₁和a₃b₃c₃d₃ e₃f₃h₃的8°斜台阶曲面。粗、精加工程序一样，只是刀补值不一样，切削用量不一样。程序如下：

（3）8×M36×2−6H螺纹孔加工方案 先用中心钻A3定孔的中心，然后用φ34mm的钻头钻螺纹小径，用镗刀加工至φ40mm，用90°的角铣刀倒角，最后用M36×2−6H丝锥攻螺纹。

（4）8×M36×2−6H螺纹孔加工程序 程序如下：

以上过程从所用工艺装备、工艺参数计算到数控程序设计等方面进行了全面的研究，并设计了成形铣刀，在加工R35mm曲面之前，先安排在T68镗床上用成形铣刀按曲面线粗加工，再用R35mm曲面检验样板保证左、右两个R35mm曲面相对于100H7键槽的对称性，最后采用程序加工大“X”形8°锥形体，这种工艺方案证明是最合理的，效率提高了一倍以上，取得了显著效果，该项成果对同类产品的制造有一定的参考实用价值。图3-51所示为现场加工后的辊端接头实物图。

图3-51 现场加工后的辊端接头实物图

点评

本节的两个例题有相当大的难度，这是中国重大技术装备制造业基地具有一定代表性的、结合工厂生产实际的选题，解决了单件零件生产过程中的工艺分析、工艺装备设计与选用及数控编程等一系列综合难题，可为高端读者提供参考。