針對十字體零件的結(jié)構(gòu)特征和加工難點(diǎn)，從原材料、熱處理和機(jī)械切削等方面逐一分析，通過合理的工藝設(shè)計(jì)，采用粗、精加工和基準(zhǔn)統(tǒng)一的方法，避免了加工過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題。

煙草機(jī)械屬于特殊設(shè)備，采取訂單式投產(chǎn)，零件生產(chǎn)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(jī)組中的刀頭組件中心連接傳動(dòng)部件，設(shè)備工作時(shí)，該零件帶動(dòng)刀頭做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)精度要求較高，零件精度直接影響刀盤部件動(dòng)平衡量和煙支濾棒切口質(zhì)量。

圖1為十字體零件三維模型，零件整體為中心對稱結(jié)構(gòu)，材質(zhì)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(gè)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(cè)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(shè)計(jì)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(dá)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(jīng)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(qū)域硬度會(huì)發(fā)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(qū)域滲碳層，再進(jìn)行淬火，從而達(dá)到局部淬硬的目的^[1]。

4個(gè)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(xù)機(jī)械切削加工，應(yīng)保證4個(gè)樞軸硬度達(dá)標(biāo)的同時(shí)，零件其余部位硬度不發(fā)生變化。為此，需要通過控制滲碳層區(qū)域來達(dá)到控制淬火區(qū)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(shí)需保證非淬火面加工余量＞1.4mm，同時(shí)為了最大限度消除粗加工過程中導(dǎo)致的應(yīng)力集中，考慮采用中間件粗加工加人工時(shí)效的方式。

零件四周側(cè)壁加工后的最終尺寸為110mm×70mm，為了控制滲碳區(qū)域，將中間件四周側(cè)壁尺寸粗加工成120mm×80mm，4個(gè)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(cè)壁尺寸加工成111mm×71mm，保證四周側(cè)壁滲碳區(qū)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(gè)φ18.27h4樞軸精加工時(shí)硬度為58～63HRC，需采用外圓磨削加工。為保證4個(gè)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(shè)計(jì)專用工裝，保證4個(gè)樞軸頂端60°中心孔位置精度。

經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)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(jī)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(gè)面為第一定位基準(zhǔn)，以垂直于這個(gè)基準(zhǔn)面的并和基準(zhǔn)面相通的兩個(gè)孔作為另兩個(gè)基準(zhǔn)的一種定位方式。使用時(shí)，為便于裝夾，預(yù)防過定位，兩銷釘分別選用圓柱銷釘和菱形銷釘^[2]。

同時(shí)，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(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，φ23mm孔、φ18N7孔、φ14N7孔及4個(gè)R40mm圓弧面（見圖1右上1/4圓?。┑炔课坏拇旨庸ね瑯哟嬖诹慵冃物L(fēng)險(xiǎn)。為了使變形量在加工4個(gè)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(jìn)行半精加工。針對非公差尺寸，在不影響后續(xù)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(shí)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(jī)床存在定位精度誤差，同時(shí)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)存在軸向圓跳動(dòng)誤差，機(jī)床誤差若不排除，可能造成4個(gè)樞軸軸端60°中心孔位置超差，致使零件報(bào)廢。針對機(jī)床精度誤差問題，考慮4個(gè)樞軸加工各自60°中心孔時(shí)，單獨(dú)建立相對應(yīng)的坐標(biāo)系，即用雷尼紹3D測頭找正工件后，每個(gè)面用雷尼紹3D測頭單獨(dú)標(biāo)定加工基準(zhǔn)，排除機(jī)床精度誤差，保證4個(gè)樞軸軸端60°中心孔位置誤差≤0.01mm。因4個(gè)樞軸端面垂直度為0.01mm，所以加工時(shí)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?？紤]磨端面時(shí)砂輪會(huì)磨到機(jī)床頂針，為了避免造成頂針損傷，工藝設(shè)計(jì)時(shí)將4個(gè)樞軸軸端60°中心孔更改為60°中心孔加120°護(hù)錐的形式，使樞軸端面與機(jī)床頂針在磨削面上產(chǎn)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(gè)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(shè)備加工4 個(gè)樞軸軸端1mm×90°V形槽，是因?yàn)?個(gè)樞軸滲碳淬火后硬度達(dá)到58～63HRC，常規(guī)刀具難以實(shí)現(xiàn)銑削加工，所以采用線切割進(jìn)行放電加工。若在滲碳淬火前加工V形槽，會(huì)破壞4個(gè)樞軸軸端60°中心孔形狀，導(dǎo)致外圓磨床加工樞軸外圓時(shí)定位不準(zhǔn)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(yàn)證。

圖6　十字體零件加工成品

圖7　十字體零件裝配驗(yàn)證

經(jīng)三坐標(biāo)測量機(jī)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(zhì)量對于濾棒成型機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。該零件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)過程中，巧妙采用預(yù)防和補(bǔ)救措施，“借助”磨削來“修正”銑削的變形誤差，增加中心孔護(hù)錐避讓端面磨削，這些細(xì)節(jié)很好地保證了零件加工質(zhì)量。該工藝方案已推廣應(yīng)用到其他相似零件的加工上，取得了很好的成效。