牛晓莉

摘 要：通过气动执行阀结构件数控铣削加工工艺分析，对易造成零件加工困难、装夹变形等影响零件加工质量稳定性的因素进行分析，优化气动执行阀结构件加工工艺流程，设计出专用夹具，解决了零件装夹困难、变形等问题，实现气动执行阀结构件优质高效稳定的生产。

关键词：气动执行阀;数控铣削;夹具设计

气动执行阀是用于锅炉或其他熔炼炉上的控制装置，主要用途是控制进入气体的频率，气动执行阀主轴每分钟转动的圈数就是控制气体进入的频率。为了实现气动执行阀密封性的目的，在执行阀结构的设计中，广泛采用了无缝钢套筒，由于其制造成本低、产量大、密封性好等特点，在机械行业及一些有密封要求的作输送气、流体的管道或结构件中应用较多。

我校与某炉窑节能股份有限公司校企合作时遇到了大批量气动执行阀零件的加工，其材质为普通碳素结构钢Q235。根据图1所示，该工件尺寸大而壁薄的形状、高精度的尺寸和粗糙度要求、大的金属去除量，并且在切削加工过程中切削力和夹紧力等因素的影响下，使得工件或刀具在切削加工过程中容易振动、变形等现象极其明显。这些因素的共同作用下，最终会导致执行阀结构件薄壁类零件加工质量和加工效率的低下，无法提高产品的竞争力，甚至损害企业的利益。在实际加工过程中笔者经过认真分析及设计，形成了完善工艺加工方案，设计出专用的夹具，使加工质量得到了有效的控制，加工效率提高。

一、工艺特点分析

该零件材料为Q235，毛坯料外径为φ325mm。从图1可以看出该零件壁薄肋薄且壁厚为5mm的无缝管筒，刚性差，零件经过焊接前后两端轴套后的长度尺寸大于400mm，尺寸精度0.03mm、形位公差要求及表面粗糙度要求较高。此外，该零件加工面较多，既要考虑如何保证工件在加工时的定位精度，又要考虑装夹方便、可靠、以及重复装夹定位精度。由于该气动执行阀筒体有165mm、219mm、273mm和325mm四个尺寸型号，165mm、219mm可以在加工中心（四軸）上一次装夹完成两端前后轴套的铣削加工，保证同轴度形位公差。但273mm和325mm型号加上两端的前后轴套，超出了加工中心（四轴）的转动范围，加工完工件前端轴套后，旋转180°加工后端轴套，就会与机床的工作台发生干涉，无法继续加工。在零件检测方面，用户要求使用气动执行阀主轴加上配套铜垫，穿过前端轴套与后端轴套相互配合（如图2所示），执行阀主轴可以灵活转动，不允许出现无法转动、卡死等情况。在长度大于400mm的薄壁筒体上，保证铣削后，前端和后端轴套不变形、同轴度形位公差不超过φ0.03mm，这是加工过程中的难点。

二、零件产生变形的原因分析

1.易受力变形：因工件壁薄，在夹紧力的作用下容易产生变形，从而影响工件的尺寸精度和形状公差;

2.易受热变形：因工件较单薄，切削热会引起工件热变形，使工件尺寸难于控制;

3.易振动变形：在切削力（特别是粗加工时的切削力）的作用下，容易产生振动和变形，直接影响工件的尺寸精度和表面粗糙度。

由于零件为碳素结构钢，加工时采用轻切快跑的方式，产生的热量小并且有充足的切削液冷却，所以排除了热变形的影响。加工过程中，前端轴套内孔可以在加工中心（四轴）上采用一夹一顶装夹铣削出来，不会发生受力变形。而后端轴套铣削加工时，由于工作台干涉问题就需要掉头装夹，采用三轴加工中心，定位基准面为前端轴套的顶面。如果夹紧前端轴套的顶面，数控铣削后端轴套的内孔时，形成了尺寸大于400mm的长悬臂工件，加之中间的支撑筒体（空心型腔）又是大尺寸薄壁件，刚性差，数控铣削时，由于切削力会导致工件振动和摆动，使后端轴套变形、偏离轴线，与前端轴套不同轴，为了克服加工过程中切削力产生的零件移动或者旋转，必须施以较大的压紧力，而大的压紧力导致了零件自身的变形最终导致废品。

通过分析，影响该零件变形的主要原因在于铣削加工过程中装夹、压紧时受力大小、受力方向和受力点。为保证气动执行阀结构件加工质量，提高加工效率，必须增加零件铣削加工刚性的支撑。

三、加工工艺方案

为了提高产品的尺寸稳定性，对于批量长悬臂薄壁零件加工我们必须从工艺安排、夹具设计、设备的选择、刀具几何参数、程序的编制等方面进行综合考虑。 本文重点从夹具设计方面进行分析如何在反复装夹后保证零件加工精度。

图3所示，该零件加工的内容多，加工工序较多，尺寸精度、形位公差要求较高，如果单纯采用四轴联动的加工中心加工的话，只能完成165mm、219mm型号加工，而273mm、325mm型号由于工作台的干涉无法完成。必须分多次装夹，才能完成，由于多次装夹必然产生累计误差，增加了对尺寸控制的难度，影响了效率的提高，因此，为了最大限度地消除多次装夹产生的累计误所以只能采用加工中心（四轴）与加工中心（三轴）配合完成各工序的加工。

根据零件特点，制定加工工艺流程见表 1。

四、夹具设计及装夹

由于该零件的加工工艺较复杂，包含了普车、数控车、焊接、数控铣等，本文重点讲解数控铣的夹具设计及装夹。

在工序50数控铣加工中心（四轴）上，利用车削好的工件内腔定位，装夹方式为三爪自定心卡盘+尾座，一夹一顶保证工件有足够的刚性不变形（图4所示）。铣削工件前端轴套顶面，铣平即可，作为后续加工的基准面;铣削轴套孔mm，保证尺寸，钻4×φ10mm孔，钻M8mm螺纹底孔，倒角。

在工序60数控铣加工中心（三轴）上，由于工件长臂悬梁，筒体空腔较薄，刚性较差，采用常规的通用夹具来装夹工件及切削加工，将难于控制工件的振动、变形，很难达到技术要求，因此，需要设计出一套适合零件的专用夹具（图5所示）。

使用了新设计的夹具装夹后效果显示：零件精加工完成后，用执行阀主轴穿入配合测试，执行阀主轴可以较灵活的转动，无带力、卡死现象，完全满足企业的使用要求。利用该夹具装夹方法我们完成了本批产品零件和另外一种长度尺寸为325mm型号工件的加工，全部符合图样要求，取得了良好的效果。

五、总结

通过对夹具设计与装夹，有效的解决了零件装夹，保证了零件加工的尺寸精度和大批量加工中的尺寸稳定性。 同时也方便操作者在实际加工过程中的操作，大大提高批量零件加工效率，在教学实践中也得到了广泛运用。

参考文献：

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④韩啸.薄壁零件加工变形的分析[J].机械工程与自动化，2010，06（3）：194-195.