十字体零件的结构特征和加工难点

根据十字形零件的结构特点和加工难点，对原材料、热处理和机械切削逐一进行了分析。通过合理的工艺设计，采用粗精加工和标准统一的方法，避免了加工过程中的质量问题。

1前言

烟草机械是一种特殊设备，是按订单投入生产的。零件的生产批量一般小于5件/批，属于多品种小批量离散加工。“X”部分是连接到滤棒成型装置中刀头组件中心的传动部分。设备工作时，带动刀盘高速旋转，对设计精度要求很高。零件的精度直接影响刀头的动平衡和卷烟滤棒的切割质量。

2加工难点分析

它是一个十字形零件的三维模型，整个零件为中心对称结构，材料为20CrMnTi。图2显示了十字形零件的加工尺寸要求(局部)。零件周围有四个φ18.27h4枢轴。枢轴垂直度和同轴度0.01mm，枢轴与零件侧壁垂直度0.01mm，枢轴要求局部渗碳淬火，淬火后硬度58 ~ 63 HRC，设计精度高，材料加工难度大。零件下料尺寸为φ220mm×66mm，加工过程中金属去除率达到91%。材料去除量大，加工变形不易控制。

3粗加工和半精加工工艺流程

渗碳是金属材料常用的热处理工艺，它可以使低碳钢工件具有高碳钢表层，然后通过淬火和低温回火，使工件表层具有较高的硬度和耐磨性，而工件中心部分仍保持低碳钢的韧性和塑性。这种热处理方法由渗碳和淬火两部分组成。在淬火过程中，只有早期渗碳区域的硬度会发生较大变化。对于有局部渗碳淬火要求的零件，可以在加工过程中对整个零件进行渗碳，然后去除非淬火区域的渗碳层，再进行淬火，从而达到局部淬火的目的[1]。

四个支点要求局部渗碳淬火硬度为58 ~ 63 HRC，渗碳层深度DC为1.2 ~ 1.4 mm..为了便于后续的加工，四个支点的硬度要达标，而零件其他部位的硬度不会发生变化。因此，有必要通过控制渗碳区来控制淬火区的硬度。由于渗碳层深度DC要求为1.2 ~ 1.4 mm，渗碳前的粗加工必须保证非淬火表面的加工余量大于1.4 mm。同时，为了最大限度地消除粗加工产生的应力集中，考虑了中间零件粗加工和人工时效的方式。

加工后零件周边侧壁的最终尺寸为110mm×70mm。为了控制渗碳面积，将中间件的外周侧壁粗加工到120mm×80mm，四个支点粗加工到mm，渗碳后通过半精加工，将中间件周围的侧壁尺寸加工到111mm×71mm，这样就可以完全去除侧壁周围的渗碳区域。

4整理工艺流程

因为精加工时四个φ18.27h4枢轴的硬度为58 ~ 63HRC，所以需要使用外圆磨削。为了保证四个枢轴的几何公差，在磨削前，枢轴顶部60°中心孔的几何精度应小于0.01mm，因此必须设计专用工装来保证四个枢轴顶部60°中心孔的位置精度。

经分析发现零件底部有两个φ5E8销孔，可采用一侧两销的定位方式。一面两销定位是机械加工中最常用的定位方法之一，属于完全定位。它是一种以一个平面作为第一定位基准，以垂直于该基准平面并与该基准平面相通的两个孔作为另外两个基准平面的定位方法。使用时，为了便于夹紧和防止过定位，两个销分别为圆柱销和菱形销[2]。

同时，由于零件底部四周有四个M4螺纹孔，零件在工装上的夹紧方式是下拉夹紧，即零件一侧用两个销钉定位后，用螺钉下拉四个M4螺纹将零件紧固在工装上。

考虑到粗加工后，宽度82mm、深度7mm、两个15°斜面的齿轮尚未加工，仍有较大余量，加工时仍有零件变形的风险。同时，φ23mm孔、φ18N7孔、φ14N7孔和四个R40mm圆弧面(见图1右上四分之一圆弧)的粗加工也有零件变形的风险。为了在加工四个枢轴顶部的60个中心孔之前完全消除变形，在用平面磨床磨削两个平面之前，需要对上述零件进行半成品加工。对于非公差尺寸，可在平面磨床磨削前完成，不影响后续加工。为了方便平面磨床加工，在半精加工过程中，我们选择在51mm的上下表面留0.2mm的磨削余量[3]。整理过程如表2所示。

C40U五轴加工中心在50道工序中使用工装对51mm平板进行调平。由于机床的定位精度误差和工作台旋转时的轴向圆跳动误差，如果不消除机床误差，四个枢轴的60°中心孔位置可能超差，导致零件报废。针对机床精度误差的问题，用四个枢轴加工它们的60°中心孔时，要分别建立相应的坐标系，即工件对准雷尼绍三维测头后， 每个面分别用雷尼绍3D测头标定，消除机床精度误差，保证四个支点端部60个中心孔的位置误差≤ 0.01mm，由于四个支点端面的垂直度为0.01mm，加工时要保证轴的外圆和端面“一刀落地”，轴的端面要用外圆磨床磨。 考虑到砂轮在磨削端面时会磨削机床顶针，为了避免顶针损坏，在工艺设计中，将四个枢轴端的60°中心孔改为60°中心孔和120°保护锥的形式，使枢轴端面与机床顶针在磨削面上有一定的间隙，避免了磨削干涉。步骤80用外圆磨床用两个塞孔定位，磨四个φ18.27mm轴外圆，磨(150±0.05)mm和(110±0.05)mm轴端面，保证四个轴在一个平面内的中心误差≤0.01mm，并满足其他公差要求。

在步骤90中，使用线切割设备在四个枢轴的端部加工1 mm× 90 V形槽。由于四根枢轴经渗碳淬火后硬度达到58 ~ 63 HRC，难以用常规刀具实现铣削加工，所以采用线切割进行电火花加工。如果在渗碳淬火前加工V型槽，会破坏四个枢轴的60°中心孔的形状，导致加工枢轴时外圆磨床定位不准。因此，V形槽必须在外圆磨床加工后进行加工。

经三坐标测量机检测，十字形零件的所有尺寸公差均符合图纸要求，零件合格。

5结束语

前端零件的质量对滤棒成型机的稳定运行至关重要。该零件设计精度高，材料加工难度大，材料去除量大，加工变形不易控制。在工艺设计过程中，巧妙地采取了预防和补救措施，通过磨削修正了铣削变形误差，并增加了中心孔锥面保护，避免了端面磨削。这些细节保证了零件的加工质量。该工艺方案已推广应用于其它类似零件的加工，取得了良好的效果。