小型插针类零件的加工工艺研究

黄小萍，曹 峰，郭怀鹏

(中国工程物理研究院电子工程研究所 一车间，四川 绵阳 621900)

小型插针类零件广泛应用于汽车、通信、电子及机床电器等领域，是组成接插件的核心元件之一。中国工程物理研究院电子工程研究所的插针类零件材料多为H62，并且为细长轴，选用小型精密型数控车床或数控纵切自动车床加工。H62材料加工性能较好，但该材料热传导较差，热膨胀系数较大，同时该零件外径尺寸小、长度长、刚性差，在加工过程中受切削力、切削热和振动等各种因素的影响，很容易导致细长轴在加工过程中出现弯曲、扭曲变形、振动、发热量大等现象，直接影响工件的尺寸精度和几何精度，造成生产效率低下甚至废品，加工难度较大[1-5]。

1 工艺性分析

某插针零件示意图如图1所示，其长度为100 mm，外径最大为5 mm，最小为1 mm，其中φ1 mm段、φ2 mm段公差为0.03 mm，来料毛坯为φ12 mm棒料。该零件为典型的小直径、大长径比零件，具有大长径比、高精度、弱刚性特点，加工中应特别注意受力变形问题。因工件小，长径比大，强度弱，采用数控车床标配的弹簧夹头夹紧车削时切削力会使零件产生振动和变形，并且随着余量的减小，刚性进一步减弱，造成零件外圆尺寸超差，甚至出现折弯、车断的现象，因此加工工艺路线和刀具的选择至关重要。

图1 某插针零件示意图

2 零件加工难点分析

2.1 刚性差

该零件φ1 mm段、φ2 mm段长径比为30(即L/D)，综合长径比达90，属于典型的细长轴(机械加工领域通常长径比>20即视为细长轴)。该类零件的加工设备为小型精密数控车床，该零件外径尺寸较小，无法使用顶尖、中心架、跟刀架等辅助措施保证零件刚性。装夹时用弹簧夹头直接夹紧，由于自重下垂和高速旋转时受离心力作用，因此易导致工件弯曲变形。该加工材料为62铜，材料本身强度低，在粗加工阶段随着余量的逐步去除，刚性逐步减弱，产生的径向切削力将把工件顶弯，使其在水平面内发生弯曲变形，产生直线度误差，影响尺寸精度。

2.2 表面质量难以保证

由于工件悬伸过长，L/D值较大，刚性差，加工过程中受机床空间和工件外径限制，无法使用中心架或跟刀架，导致远离夹持端受切削力的影响，产生了严重的“让刀”现象，工件弯曲，车削时增加了工件的振动，表面质量难以保证。

3 提高零件加工精度的措施

在零件加工过程中，关键是防止加工中的变形因素。为提高加工精度，根据生产条件，采用分段车削、一次成形法，选取合理的刀具角度，匹配恰当的切削速度，在保证零件强度的前提下提高加工精度，满足精度要求[6-7]。

3.1 合理安排工艺路线

合理的工艺路线是加工出合格零件的前提条件，同时也影响着零件的质量和生产效率。用小型精密数控车床加工零件时，为保证整体刚性，宜做分段车削。从右至左，先加工M1螺纹。直径φ1 mm段粗车时车成锥度，保证刚性，精车时采用高转速小走刀量一次车削成型。采用同样的原理车削φ2 mm段。

工艺路线详细过程见表1。

表1 工艺路线详细过程

3.2 刀具的选择

在工艺系统刚性不足时，刀具的选择尤为关键。加工该插针零件时，应首先保证刀具的锋利性，通过刀具角度的选取，以降低径向切削力和振动。为降低切削热，加工过程中应给予充分的冷却，增加工件的散热和润滑，以保证零件的精度和表面质量要求。加工该零件选择伊斯卡刀具CCGT系列，关键刀具参数分析如下[8]。

1)前角。前角的大小直接影响切削力、切削温度和切削功率。增加前角，可使被切削金属层的塑性变形程度减小，切削力明显减小。通常在细长轴车削中，应尽可能采用大前角刀具，使切削省力，切削变形小，切削温度降低，一般取γo=15°～30°，该零件综合各种因素前角选取γo=20°。

2)后角。后角适当减少有利于减振，因为细长轴车刀的前角较大，为保证刀刃有足够的强度，后角αo选取3°为宜，以增强刀尖强度，同时起防振作用。

3)刃倾角。刃倾角λo影响着车削过程中切屑的流向、刀尖的强度，正的刃倾角使切屑流向待加工表面，负的刃倾角使切屑流向已加工表面，并且随着刃倾角的增大，径向切削力明显减小，在车削细长轴时，通常采用正刃倾角，以使切屑流向待加工表面，提高工件表面质量，本例中λs=5°。

4)刀尖圆弧半径。细长轴车刀的角度决定了刀尖强度和散热能力都比较差，同时刀尖圆弧的存在又会使径向切削力加大，从而增加了产生振动和使工件弯曲的可能性，综合上述因素，粗加工选用R0.2 mm、精加工选用R0.1 mm的刀尖圆弧。

3.3 合理选择切削用量

切削用量对加工精度有重要影响，选择不当将增加切削力、切削热和工件塑性变形。在工艺系统确定的前提下，合理选择切削用量可以提高加工质量[9-10]。

1)切削深度。由于该零件整体刚性差，直径较小，随着车削刚性逐渐变差，因此，同一档长度尺寸不宜做多刀车削，先粗车去量后1次精车到位。

2)进给量。进给量应综合考虑零件表面质量和刚性的因素，粗车时可选大些，精车时应选小些。

3)切削速度。提高切削速度有利于降低切削力，减少切削变形，但在该零件车削中振动会随切削速度的增加而增大，当切削速度增大到一定数值时，振动反而会变小，一般取切削速度V=60～110 m/min，切削速度和进给量二者要配合得当。

切削用量表见表2。

表2 切削用量表

3.4 减小零件的热变形

在细长轴零件加工过程中，除了刀具角度，切削液对减小零件的热变形起着重要作用。切削液通过液体的热传导作用，把切削区内刀具、工件和切屑上大量的切削热带走，降低切削温度，提高刀具耐用度和工件的表面质量。在车削H62塑性材料时，不仅有利于断屑，而且可以避免形成积屑瘤，因此在车削过程中使用高浓度极压乳化液、大流量连续浇注的方法，可在一定程度上减小零件的热变形。

4 结语

通过对插针类零件车削技术难点问题进行分析研究，制定合理加工路线，选用恰当的加工刀具，通过加工获取合理的加工参数，有效保证了零件的加工精度。实践结果表明，针对小径细长轴类零件，保持加工过程中的刚性是保证加工精度的重要因素。在车削过程中不宜分多刀，应确保刀具锋利，在刚性较好的情况下一次车削成形，选择刀具时前角、后角是首要考虑因素。