针对异形曲轴零件数控铣削加工中存在的夹持不稳、尺寸偏离及装夹繁琐问题，从零件结构和材料特性入手进行工艺分析，通过夹具设计和工艺过程优化，创新性地采用A轴回转加工定位技术和强力弹性卡簧全包围夹持方法，解决了曲轴加工中的技术难题，形成了一套稳定可靠的技术方案。

01 序言

程序轴是某型弹射救生座椅起动机构的重要件，由于数控加工难度大，因此进一步完善工艺方法对技术性能达标起重要作用。

02 程序轴工艺特点

程序轴的主要功能是依产品秩序起动各个机构动作，产生应有的救生防护功能，其工艺特点如下。

1）程序轴的材料为TC11模锻件，热处理后屈服强度（1150±100）MPa，其高黏度和高韧性的特性不适合高速切削。

2）程序轴为具有不规则回转结构的异形曲轴，表面余量较大，结构强度不高，不适合大深度切削。

3）工艺路线较长，共80道工序、89个设计尺寸，主要功能尺寸由数控车削、数控铣削保证。

4）3道数控铣削工序，加工内容为起动控制功能的空间高精度尺寸，共52个尺寸，如图片mm、φ图片mm、110°、±30′和图片mm，以及同轴度φ0.2mm、对称度0.04mm等。

5）数控铣削工序分3个工步装夹加工完成。A轴工序装夹如图1所示。

图1　A轴工序装夹

6）数控铣削生产操作过程繁琐，加工中工件容易受力旋转，较难满足技术要求。

03 数控铣削加工难度分析

零件结构如图2所示。经分析，数控铣削的加工难度如下。

图2　零件结构

1）数控铣削内容分为30、40、45工序，零件的工艺精度要求高，曲轴结构的工艺强度不高，零件的装夹定位难度较大。

2）钛合金材料的切削性能较差，模锻件材质的黏度、韧性更高[1]，要求切削力与夹持力具有较好的技术匹配性。

3）由于零件设计要求高，定位点选择与工艺过程精度必须具备完全相关性，因此完成难度大。

04 加工过程

零件加工过程如下。

（1）30工序　定位方法为以卡盘夹持，专用夹套全包围零件φ图片mm外圆。结构内容为加工2个φ图片mm孔，图片mm方、62°±30′等形面。因刀具磨损较快，切削抗力大，必须每件找正中心，调整孔和方加工刀具的参数。30数控铣削工序如图3所示。

图3　30数控铣削工序

（2）40工序　定位方式以A轴卡盘夹持，开口套夹φ40mm外圆，加工φ图片mm孔和图片mm槽。每件找正2个φ图片mm孔至A轴角度，以达到水平/垂直的空间关系，同时找正φ图片mm外圆作为对称度基准。40数控铣削工序如图4所示。

图4　40数控铣削工序

（3）45工序　45数控铣削工序如图5所示。定位方式以A轴卡盘夹持，开口套转基准于φ图片mm外圆。加工两段φ图片mm外圆形面——波浪面和凸轮槽，保证各形面角度、尺寸精度；确定工艺基准的空间关系，每件找正2个φ图片mm孔。

曲轴结构的强度不高，必须人工操控尾座顶持力。施加A轴卡盘大夹持力，零件加工中仍受力旋转，造成波浪面和凸轮槽发生错位过切现象。在A轴工作台上必须用数字高度尺反复测量每一件零件的定位水平角度，切削过程中随时观察切削状态，处理异常情况。

加工秩序为从左至右依次粗加工D—D、E—E和F—F各形面→从左至右依次精加工D—D、E—E和F—F各形面（见图5a）。加工过程中切削E—E、F—F各形面时，零件有振颤现象，表面质量和工艺精度不理想。

05 刀具的选用

根据程序轴钛合金模锻材料的物理特性中“黏度高”的首要特点，运用高钴钢材料锋利度好、韧性高的性能，选择该材质刀具加工，初期2件表面粗糙度、尺寸精度总体效果尚可，但切削效率不高，加工5件后刃部磨损较快，表面质量、尺寸精度持续下降，不能可靠高效地满足工艺技术和计划节点要求。

于是选择采用WCo类合金材质、螺旋角38°及Al2O3/HfN物理涂层的刀具[2]，切削状态大为改观，零件表面粗糙度、尺寸精度持续稳定在25件以上，切削效率提升50%以上，刀具耐磨性提升。

数控铣削工序工艺流程优化调整的可能性分析如下。

1）30工序，加工端部2个φ图片mm孔、图片mm方及62°±30′等形面，与后工序的切削部位距离较远，加工方式不同，不可合并。

2）40、45工序，切削区域相近，旋转角度基准均为2个φ图片mm孔，因工艺精度高、形面复杂及切削力大等客观情况，夹持的部位不同。

3）鉴于卡盘装置三点作用、接触面小且力量受限，夹套受力后变形严重，考虑设计一种新型夹具，统一定位夹持基准，增强夹持力度，增大夹持面积，质量、效率是可以提升的。

06 夹具创新

1）选定定位基准。依据“基准统一，精度一致，直接相关，就近夹持”的原则[3]，兼顾工艺路线的要求，确定φ图片mm外圆和2个φ图片mm孔为加工定位基准（见图5b）。

a）工序尺寸

b）装夹找正

图5　45数控铣削工序

2）确认夹持方式。避免卡盘三点受力“面积小，夹套受力不均”的弊病，考虑采用卡簧（见图6）全包围结构，即增大真实接触面积，夹持力度提高了5倍以上。

图6　卡簧

3）新夹具方案必须解决的难题：①大批量生产中每件人工找正带来的误差。②零件回转定位的位置关系不稳定。③夹持力臂与切削力臂之比为1∶5.7，呈反比状态，夹持力的定位作用不够。

4）夹具方案必须满足的条件：①确定夹持组件间的相对位置关系。②稳定零件与夹具的力臂关系。③稳定提升夹持力作用。④减少人工操作，满足批量生产需要。

5）新夹具构思如图7所示。具体的解决方案为：①回转中心基准φ图片mm外圆，设计强力弹性卡簧（规格为φ7mm），夹持力均匀地完全包围φ图片mm外圆，提升夹持作用效果。②强力卡簧的定向槽与内锥孔侧壁的定向销高精度配合，卡簧与夹具主体位置关系确定。③卡簧前端面安装φ图片mm菱形定位销，确定与2个φ图片mm孔的定位关系，具有加工过程中提升定位转矩，抵抗切削力的作用。

图7　新夹具构思

1—强力卡簧　2—卡簧夹持孔　3—零件定向销　4—锁紧螺母　5—定向槽　6—卡簧定向销　7—夹具主体

07 工艺创新

针对曲轴结构强度低的特点，工艺秩序采取如下措施：①从右至左依次加工F—F、E—E、D—D各形面（见图5a）。②F—F形面粗、精加工均完成后，加工E—E形面；同理，E—E形面粗、精加工均完成后，再加工D—D形面。③40工序并入45工序完成。先完成F—F、E—E形面加工，最后完成D—D形面，有利于保持D—D曲轴部位强度，有效承载切削力，稳定工艺系统刚性，避免零件切削振颤。40工序内容在45工序完成，降低操作难度，提升生产效率。

08 方案实施

1）依据方案论证，设计新型夹具如图8所示，其中的定向卡簧主体如图9所示，卡簧定向槽与零件定位销如图10所示。

图8　新型夹具

图9　定向卡簧主体

图片

图10　卡簧定向槽与零件定位销

2）按照夹具设计方案，制作了装夹工装，经在机检测精度，符合设计功能和使用要求。新型夹具的安装如图11所示。

图11　新型夹具的安装

1—锁紧螺母　2—强力卡簧　3—零件定位孔　4—零件

3）选择刚性较好的设备，采用卡簧定向夹具紧固可靠后进行零件加工，夹持跳动≤0.02mm，观察零件与夹具的组合体在切削中的状态，确认紧实稳定，经计量检测合格后，批量生产效果较好。批量生产的零件实物如图12所示。

图12　批量生产的零件实物

09 结束语

本文针对钛合金异形曲轴零件数控铣削中存在的夹持不稳、尺寸偏离及装夹繁琐等问题，进行原因分析和工艺改进。依据“基准统一，精度一致，直接相关，就近夹持”的原则，采用弹性强力卡簧和高精度定位销、定向槽，确定了夹持组件的位置关系，增大夹具接触面积，提升夹持力度。在“夹持力臂/切削力臂为1∶5.7”的情况下，解决了“曲轴结构强度不高，钛合金模锻材料的切削性能差、黏度高，切削力与夹持力的匹配性，以及定位点与工艺精度的相关性”等技术难题，取得了较好的社会效益和经济效益。

专家点评：

该文中的钛合金异形曲轴，零件结构强度低，材料切削性能差。作者在工艺改进的基础上，通过夹具设计和工艺过程创新，解决了数控铣削加工中存在的夹持不稳、尺寸偏离及装夹找正困难等问题。

文章内容丰富，创新性地采用A轴回转加工定位技术和强力弹性卡簧全包围夹持方法，解决了曲轴零件加工中的技术难题，显示出作者较强的技术攻关和工艺创新思维能力。

参考文献：

[1]  王先逵. 机械制造工艺学[M]. 北京：机械工业出版社，2006.

[2] 田荣鑫，史耀耀，杨振朝，等. T C17钛合金铣削刀具磨削对残余应力影响研究[J]. 航空制造技术，2011（1/2）：134-138.

[3] 余光国，马俊. 机床夹具设计[M]. 重庆：重庆大学出版社，2005.

本文发表于《金属加工（冷加工）》2023年第1期58~63页，作者：航宇救生装备有限公司 金鑫，陈峻，原标题：《钛合金异形曲轴零件的A轴回转加工定位技术》。