CN104741627A - 一种薄壁缸筒挤压填充稳态加工外圆方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种薄壁缸筒挤压填充稳态加工外圆方法，属于机械加工领域中薄壁筒外圆加工技术；按照以下步骤进行：1)薄壁缸筒加工完内孔后，对内孔进行填充处理；2)薄壁缸筒挤压填充完毕后，吊装至车床上，采用双顶尖轴向装夹处理，一端顶正缸筒缸头内孔倒角，另一端顶正缸筒缸尾内孔倒角，用百分表测量薄壁缸筒外圆同轴度≤φ0.03mm；3)薄壁缸筒装夹完毕后，采用车削的方法加工成形外圆；4)薄壁缸筒切削完毕后，吊装出车床，将填充物手工取出，采用本发明能够实现薄壁缸筒外圆的稳态、精度、柔性、低成本加工，继而使该技术在薄壁缸筒外圆加工中大范围应用。

Description

一种薄壁缸筒挤压填充稳态加工外圆方法

技术领域

本发明一种薄壁缸筒挤压填充稳态加工外圆方法，属于机械加工领域中薄壁筒外圆加工技术。

背景技术

国内及国外对于薄壁缸筒加工的研究主要集中在以下方面：1、加工难点，主要是加工振动、装夹变形；2、加工顺序，主流方法为先加工内孔再加工外圆；3、内孔的加工精度、效率；4、加工顺序安排和工艺参数摸索；5、夹紧变形模拟，夹具的设计及改进(可胀芯轴等)；6、切削变形模拟，刀具的设计及改进；7、薄壁缸筒原材料的机械处理及热处理，如由热轧变为冷拔，由调质变为退火、回火等；8、切削方式，如低温冷风切削等。以上研究方向很多，但对于薄壁缸筒外圆的稳态加工(稳态加工即切削加工系统稳定的静刚度及动刚度状态。在此种状态下对薄壁缸筒外圆切削加工，才能获得良好、稳定的尺寸精度、形状精度、位置精度及表面质量)基本没有提及。

现有的薄壁缸筒外圆的精度加工主要是采用薄壁缸筒配内胎加工外圆技术。薄壁缸筒配内胎加工外圆技术的基本原理为：薄壁缸筒精加工内孔后，精确测量内孔尺寸，根据实测内孔尺寸制做可与薄壁缸筒内孔精确配合的内胎装置(含芯轴及其附件，芯轴配制中心孔)，配合间隙根据薄壁缸筒内孔精度确定，一般为0.01mm～0.03mm。之后装夹芯轴，对薄壁缸筒外圆进行精加工(精车、精磨等)。

由薄壁缸筒配内胎加工外圆技术的原理可知，其存在多项不足：

1)柔性不足

由于内胎装置需根据薄壁缸筒的结构进行配做，因而只能做到“一缸一胎”，即一种油缸专配一种内胎装置，内胎装置无法实现通用。所以，该项技术的柔性不足。

2)专属性强

由于内胎装置的芯轴外圆尺寸需与薄壁缸筒内孔配制，并且实现精确配合(一般保证配合间隙0.01mm～0.03mm)，因而同种类型不同个体的薄壁油缸，会因为内孔公差的原因出现个体不同内径相异，但在公差范围之内，为保证内胎装置芯轴外径与薄壁缸筒内孔的配合间隙，则需根据不同内孔配制不同外径的内胎装置，即同种薄壁缸筒的内胎装置很可能不同，导致内胎装置互换性不强。所以，内胎装置的专属性很强。

3)精度加工适应性待提高

由于薄壁缸筒内孔与内胎装置芯轴外圆存在配合间隙，因而形成了装配误差。此误差在车削、磨削的精度加工中不会被消除，因而在保证薄壁缸筒内孔与外圆的同轴度、外圆的圆柱度等形位公差等方面，装配误差会起反作用，甚至导致薄壁缸筒外圆加工精度难以保证。所以，内胎装置对于薄壁缸筒外圆精度加工的适应性待提高。

4)生产成本高

由于薄壁缸筒与内胎装置基本为一一对应关系，因而对于多品种小批量的薄壁缸筒，需要加工多件内胎装置以保证薄壁缸筒加工。内胎装置加工耗费材料、时间、人力等多项成本，所以使得薄壁缸筒的生产成本增高、生产周期加长。

由上分析可知，薄壁缸筒配内胎加工外圆技术的众多弊病限制了其广泛应用。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，解决了现有技术存在的问题，提供一种薄壁缸筒挤压填充稳态加工外圆方法。以实现薄壁缸筒外圆的稳态、精度、柔性、低成本加工，继而使该技术在薄壁缸筒外圆加工中大范围应用。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种薄壁缸筒挤压填充稳态加工外圆方法，按照以下步骤进行：

1)薄壁缸筒加工完内孔后，对内孔进行填充处理；由于薄壁缸筒的动刚度、静刚度不足，在切削加工过程会发生振动，使得加工效果不良，通过在薄壁缸筒内孔中挤压填充棉纱、气囊、气胀轴等填充物，可以显著抑制薄壁缸筒的一阶、二阶振动频率，提高其动刚度、静刚度，从而有利于切削；

2)薄壁缸筒挤压填充完毕后，吊装至车床上，采用双顶尖轴向装夹处理，一端顶正缸筒缸头内孔倒角，另一端顶正缸筒缸尾内孔倒角，用百分表测量薄壁缸筒外圆同轴度≤φ0.03mm；由于薄壁缸筒的径向静刚度不足，采用径向装夹会使缸筒装夹部位外圆发生装夹变形，切削后会出现失圆现象，薄壁缸筒的轴向静刚度足够，双顶尖顶正薄壁缸筒两端进行夹紧后，缸筒不会发生装夹变形，且夹紧力足够，从而有利于防止装夹变形出现。

3)薄壁缸筒装夹完毕后，采用车削的方法加工成形外圆；

4)薄壁缸筒切削完毕后，吊装出车床，将填充物手工取出。

优选的是，步骤1)中采用棉纱填充，手工将棉纱填入薄壁缸筒内孔，用工装油缸在一定的压力下将棉纱压实，在此过程中，不断续填棉纱，直至薄壁缸筒内孔压满，薄壁缸筒内孔挤压填充棉纱的压强为0.1MPa～0.2MPa。

优选的是，步骤1)中采用气囊填充，将气囊放入薄壁缸筒内孔，给气囊充入一定压力的惰性压缩气体，使气囊胀紧薄壁缸筒内壁，气囊充气压强为0.1MPa～0.2MPa。

优选的是，步骤1)中采用气胀轴填充，将气胀轴放入薄壁缸筒内孔，给气胀轴充入一定压力的惰性压缩气体，使气胀轴胀紧薄壁缸筒内壁，气胀轴充气压强一般为0.1MPa～0.2MPa。

优选的是，步骤2)中的顶尖的锥度为30°，或为60°。

优选的是，步骤3)中的车削参数为：单边切削余量≥2mm、主轴转速＞1000r/min、切削速度100r/min～200r/min、切削深度0.25mm～0.5mm、进给量0.1mm/r。薄壁缸筒的动刚度、静刚度不足，无法抵抗大的切削应力，很容易发生切削变形，通过采用高转速、小进给、多次的切削策略可以显著降低切削应力，从而有利于最大限度降低切削变形。

优选的是，步骤3)中采用的刀具为93°菱形偏刀，主偏角93°，菱形55°；刀杆型号：MDJNR3232P15；刀片型号：DNMG150608。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

第一、本发明可实现薄壁缸筒外圆在稳定状态下的切削加工，从而能得到良好的表面质量。此外，还可使薄壁缸筒外圆的切削加工由难变易，从而实现薄壁缸筒外圆类结构特性的便捷加工，并使本技术在薄壁缸筒外圆加工中大范围应用。

第二、本发明通过在薄壁缸筒填充入棉纱、气囊、气胀轴等填充物，并采取一定压力下工装油缸挤压、气体充压的方式使填充物挤压薄壁缸筒内壁，使薄壁缸筒内壁获得预期量值的压应力。通过这种方法可显著提高薄壁缸筒的动刚度及静刚度，抑制系统振动，从而使其达到稳定状态，以解决薄壁缸筒外圆切削时的振动失稳问题。

第三、采用双顶尖顶正薄壁缸筒的头尾两端，并使尾部顶尖施加一定压力后实现缸筒轴向夹紧。通过这种方法可避免薄壁缸筒径向装夹变形产生的“失圆”现象，从而在装夹方面保证了薄壁缸筒外圆的尺寸稳定性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明的一种薄壁缸筒挤压填充稳态加工外圆方法的工艺流程图。

图2为小型钢质薄壁缸筒的结构示意图。

图3为大型钢质薄壁缸筒的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种薄壁缸筒挤压填充稳态加工外圆方法，按照以下步骤进行：

1)薄壁缸筒加工完内孔后，对内孔进行填充处理；

2)薄壁缸筒挤压填充完毕后，吊装至车床上，采用双顶尖轴向装夹处理，一端顶正缸筒缸头内孔倒角，另一端顶正缸筒缸尾内孔倒角，用百分表测量薄壁缸筒外圆同轴度≤φ0.03mm；

3)薄壁缸筒装夹完毕后，采用车削的方法加工成形外圆；车削参数为：单边切削余量≥2mm、主轴转速＞1000r/min、切削速度100r/min～200r/min、切削深度0.25mm～0.5mm、进给量0.1mm/r；薄壁缸筒挤压填充棉纱后在顶尖上顶正装夹时，注意不得使棉纱垫在顶尖锥面上，否则缸筒外圆找正时同轴度会超差。

4)薄壁缸筒切削完毕后，吊装出车床，将填充物手工取出，在取出填充物的过程中，不得损伤已机加表面。

其中步骤1)的挤压填充可以采用棉纱填充，也可以采用气囊填充或气胀轴填充。采用棉纱填充时，手工将棉纱填入薄壁缸筒内孔，用工装油缸在一定的压力下将棉纱压实，在此过程中，不断续填棉纱，直至薄壁缸筒内孔压满，薄壁缸筒内孔挤压填充棉纱的压强为0.1MPa～0.2MPa。

采用气囊填充时，将气囊放入薄壁缸筒内孔，给气囊充入一定压力的惰性压缩气体，使气囊胀紧薄壁缸筒内壁，气囊充气压强为0.1MPa～0.2MPa。采用气胀轴填充时，将气胀轴放入薄壁缸筒内孔，给气胀轴充入一定压力的惰性压缩气体，使气胀轴胀紧薄壁缸筒内壁，气胀轴充气压强一般为0.1MPa～0.2MPa。

如果采用气囊、气胀轴填充时，由于气囊、气胀轴的充气口有一定的长度，气囊、气胀轴在缸筒中胀紧后，充气口周围需用棉纱填紧，否则充气口对应的缸筒外圆切削时会发生切削让刀、切削振颤等动刚度失稳现象。同时薄壁缸筒在挤压填充及取出气囊、气胀轴的过程中，需防止压力气体损伤人员、产品或设备。另外气囊、气胀轴在取出前需进行泄压处理。

其中步骤2)中的顶尖的锥度为30°，或为60°。

其中步骤3)中采用的刀具为93°菱形偏刀，主偏角93°，菱形55°；刀杆型号：MDJNR3232P15；刀片型号：DNMG150608。

加工薄壁缸筒的关键是控制变形。缸筒产生变形的原因主要有：刚度不足、夹紧力、切削力、切削热、定位误差和弹性变形等。其中，影响变形最大的是刚度不足、夹紧力和切削力。

1)由于薄壁缸筒的静刚度、动刚度不足，尤其是动刚度不足，当其外圆受到轴向及径向切削力作用时会发生震颤，刀具会在缸筒外表面打滑，加工后缸筒外圆的尺寸、形状、位置及表面粗糙度等各项指标均得不到保证，故需在工件内填充物质以提高静刚度及动刚度。薄壁缸筒内孔填充物质后，薄壁缸筒整体的一阶频率会降低，二阶、三阶频率原本就低，这样在切削加工时就不会发生系统振动，从而避免了薄壁缸筒震颤及刀具打滑。

2)由于薄壁缸筒的静刚度、动刚度不足，当其受到径向夹紧力作用时会发生变形，加工后会因弹性变形恢复而改变经切削加工的形状和尺寸，故需将工件改为轴向夹紧。薄壁缸筒虽然在径向刚度较低，但在轴向刚度却较高，因而可以承受轴向卡紧力而变形很小。

3)由于薄壁缸筒的静刚度、动刚度不足，当其外圆受到轴向及径向切削力作用时会发生让刀变形，加工后得不到期望的形状和尺寸，故需选择合理的切削用量。合理的切削速度、切削深度和进给量会显著降低薄壁缸筒的切削受力，因而可以弥补薄壁缸筒刚度的不足，避免让刀变形现象。

为了进一步的理解本发明，下面结合具体的实施例对本发明薄壁缸筒挤压填充稳态加工外圆方法进行说明。

选取某产品中的两种薄壁缸筒零件为实施对象，进行了挤压填充方式下的薄壁缸筒外圆稳态加工。两种薄壁缸筒的结构见图2、图3，参数见表1。

表1 薄壁缸筒参数

对上述两种薄壁缸筒按照本发明的加工方式进行挤压填充及稳态车削加工外圆。其中步骤1)中的填充物采用棉纱。采用挤压填充棉纱的方法加工小型薄壁缸筒、大型薄壁缸筒，测得的外圆数据见表2、表3。

表2 小型钢质薄壁缸筒挤压填充棉纱加工外圆数据

                                                              mm

表3 大型钢质薄壁缸筒挤压填充棉纱加工外圆数据

                                                             mm

由表3、4可知，各试验件均合格，即采用棉纱挤压填充加工薄壁缸筒外圆的方法是可行。

采用挤压填充气囊或气胀轴的方法加工薄壁缸筒，其原理、实施途径、参数、结果基本相同，因而合并实施。采用挤压填充气囊或气胀轴的方法加工小型薄壁缸筒、大型薄壁缸筒，测得的外圆数据见表4、表5。

表4 小型钢质薄壁缸筒挤压填充气囊/气胀轴加工外圆数据

                                                             mm

表5 大型钢质薄壁缸筒挤压填充气囊/气胀轴加工外圆数据

                                                             mm

由表4、5可知，各试验件均合格，即采用气囊或气胀轴挤压填充加工薄壁缸筒外圆的方法可行。

由上述实验数据可知，采用本发明薄壁缸筒挤压填充稳态加工外圆方法进行薄壁缸筒外圆加工可以取得了以下效果：

第一.由于薄壁缸筒采用内孔挤压填充棉纱、气囊、气胀轴等填充物的抑振方式，所以可提高薄壁缸筒动刚度、静刚度，实现外圆稳态切削；

第二.由于薄壁缸筒采用双顶尖顶正缸筒两端轴向夹紧的装夹方式，所以可防止失圆等装夹变形出现，辅助实现外圆稳态切削；

第三.由于薄壁缸筒采用高转速、小进给、多次切削外圆的方式，所以可显著降低切削应力，实现切削变形最小。

上面结合附图对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述描述，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种薄壁缸筒挤压填充稳态加工外圆方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

1)薄壁缸筒加工完内孔后，对内孔进行填充处理；

2)薄壁缸筒挤压填充完毕后，吊装至车床上，采用双顶尖轴向装夹处理，一端顶正缸筒缸头内孔倒角，另一端顶正缸筒缸尾内孔倒角，用百分表测量薄壁缸筒外圆同轴度≤φ0.03mm；

3)薄壁缸筒装夹完毕后，采用车削的方法加工成形外圆；

4)薄壁缸筒切削完毕后，吊装出车床，将填充物手工取出。

2.根据权利要求1所述的一种薄壁缸筒挤压填充稳态加工外圆方法，其特征在于：步骤1)中采用棉纱填充，手工将棉纱填入薄壁缸筒内孔，用工装油缸在一定的压力下将棉纱压实，在此过程中，不断续填棉纱，直至薄壁缸筒内孔压满，薄壁缸筒内孔挤压填充棉纱的压强为0.1MPa～0.2MPa。

3.根据权利要求1所述的一种薄壁缸筒挤压填充稳态加工外圆方法，其特征在于：步骤1)中采用气囊填充，将气囊放入薄壁缸筒内孔，给气囊充入一定压力的惰性压缩气体，使气囊胀紧薄壁缸筒内壁，气囊充气压强为0.1MPa～0.2MPa。

4.根据权利要求1所述的一种薄壁缸筒挤压填充稳态加工外圆方法，其特征在于：步骤1)中采用气胀轴填充，将气胀轴放入薄壁缸筒内孔，给气胀轴充入一定压力的惰性压缩气体，使气胀轴胀紧薄壁缸筒内壁，气胀轴充气压强一般为0.1MPa～0.2MPa。

5.根据权利要求1所述的一种薄壁缸筒挤压填充稳态加工外圆方法，其特征在于：步骤2)中的顶尖的锥度为30°，或为60°。

6.根据权利要求1所述的一种薄壁缸筒挤压填充稳态加工外圆方法，其特征在于：步骤3)中的车削参数为：单边切削余量≥2mm、主轴转速＞1000r/min、切削速度100r/min～200r/min、切削深度0.25mm～0.5mm、进给量0.1mm/r。

7.根据权利要求1所述的一种薄壁缸筒挤压填充稳态加工外圆方法，其特征在于：步骤3)中采用的刀具为93°菱形偏刀，主偏角93°，菱形55°；刀杆型号：MDJNR3232P15；刀片型号：DNMG150608。