螺旋曲面工裝夾具設計與加工工藝

廣東韶關市技師學院 (512026) 李樹清

外折角是 (見圖1)用于煙草機械配件行業中小包煙盒透明紙導向的一個元件，在工作中和另外一件內折角相互配合使用，主要起透明紙導向和折角的作用。透明紙通過螺旋曲面的導向，將紙向上折疊，從而使透明紙準確將小包煙盒包裝好。然而設備在正常的運行中，如果零件有誤差，配合性不好，會直接影響折疊部位不齊、松弛、散包等生產質量問題。所以外折角零件在該包裝機上屬于一個至關重要的零件。因此必須嚴格按圖樣要求加工;另外還要求外折角零件外觀要美、表面粗糙度值一定要小。外折角的零件圖如圖2所示。

圖1 外折角零件實物圖

1.外折角零件的加工工藝分析

該外折角零件材料為2Cr13，在本工序之前已利用普通銑床銑削外形、鉆床鉆孔、攻螺紋、磨床磨削加工 (見圖3)。由于本工序主要加工螺旋曲面，加工余量仍然比較多，因此本工序在加工時仍然要采用先粗后精的加工方法進行銑削，最后再留余量給鉗工拋光。

(1)加工特點 本工序所要加工的部位輪廓由螺旋曲線、圓弧及斜角構成的螺旋曲面，形狀復雜，加工余量大，精度要求高，表面粗糙度值為 Ra=0.8μm;而且2Cr13材質塑性高，加工硬化嚴重，變形大，極易產生振動，處理不好會導致鈍角崩口，表面粗糙度難以達到要求。總之，該零件的特點是:加工、檢驗都比較困難。針對上述情況，該零件本工序應該放在數控銑床上銑削螺旋曲面。

圖2 折角零件圖

圖3 轉入數控銑床之前的外折角零件

由于數控銑床特點為:加工精度高，工件質量穩定，數控機床精度不受零件形狀復雜和角度的影響，一般在0.005～0.1mm，加工中消除了操作者的人為誤差，提高了同批零件尺寸的一致性。這為提高產品的互換性和裝配的工作質量提供了有利條件，使產品質量保持穩定。因此本工序外折角零件加工螺旋曲面時選用數控銑床進行加工。加工時刀具路徑為從上往下分層的加工路徑。

(2)刀具選用 外折角零件材料為2Cr13，這種材料的特點是:①強度高，尤其是高溫強度和高溫硬度高。②塑性大，韌性高，切削變形大。③導熱率低，由工件和切屑帶走的熱量很少，使切削區的溫度較高，刀具容易磨損。④粘附性強，切削時容易形成積屑瘤。⑤加工表面容易形成冷硬現象。

基于以上幾點，選擇硬質合金刀具。在加工中我們選用直徑12mm的硬質合金立銑刀開粗;然后選用R3mm的硬質合金球頭刀精銑。

(3)試加工 工件的裝夾最開始承接該外折角零件的加工任務時，我們覺得此零件比較簡單 (單從圖樣看);因此我們選擇了用平口虎鉗裝夾工件進行加工。當然該零件需要加工“正反”兩面 (即相鄰的兩個面);因此需要裝夾兩次才可以完成。

工藝是:先加工余量多的A面，把工件的斜邊用一個42°角的三角形塞塊塞住，一起放在平口虎鉗輕輕夾緊，用百分表校正平面，對刀輸入Z;執行數控銑床已編好的程序，粗精加工。之后把工件調頭翻轉180°再裝夾，用百分表校正平面，加工B面。

在零件裝夾和加工過程中發現:①銑刀在銑A面的斜面時很容易銑撞到虎鉗口，造成虎鉗有缺口，影響虎鉗的精度。②裝夾位置短，懸空處太長，銑削時產生工件振動和讓刀現象，工件容易松動。③工件在找正時不方便，不好定位，銑削出來的尖角處 (0.35mm)有厚有薄。④加工好A面，在加工B面時候，工件要調頭翻轉180°裝夾，工件不好裝夾，用平口虎鉗夾左邊，會把斜角邊緣處夾扁，工件變形，造成廢品或次品。

經過試加工后發現:用平口虎鉗裝夾加工，效率低，銑出來的零件達不到圖樣規定的技術和精度等級，沒辦法完成生產任務。

2.夾具制作

(1)夾具結構 該夾具 (見圖4)結構簡單，由定位塊和底板組成。

第一部分是定位工件用的定位塊 (見圖5)。該定位塊與底板“凹槽”精密配合 (過盈配合)，并通過兩個M8螺栓將定位塊緊固在底板上面。

圖4 專用夾具總裝圖

圖5 定位工件用的定位塊

第二部分是底板 (見圖6)。底板正面有一個41mm×19mm×5mm(此尺寸為配做過盈配合尺寸)凹槽;底板的底面中間位置還有一條通槽，用來安裝兩個導向定位鍵;從而使夾具能直接與數控銑床T形槽準確精密配合聯接。底板外形尺寸根據外折角零件尺寸 (外折角零件“正反A、B面”加工均在同一夾具上完成)以及定位工件用的定位塊外形尺寸決定。底板選用45鋼制造，并進行調質240～280HBW處理。加工時按圖樣要求利用普通銑床銑削底板外形，兩處寬17mm(即R8.5mm)半通槽，鉆孔，攻螺紋，磨削正反兩面，銑削通槽，安裝與機床工作臺T形槽相配合的定位鍵，最后再銑削凹槽等。

圖6 底板

(2)夾具的使用方法與工作原理 夾具的使用方法如下:①先把定位塊放置在墊塊的凹槽內 (與機床工作臺T形槽相配合的定位鍵之前已安裝)，用兩個M8的螺絲把定位元件鎖緊。②再將組裝好的夾具安裝在數控機床工作臺上。③把工件放在底板上靠緊定位塊，用M5螺絲鎖緊工件，最后用壓板將工件壓緊。

工作時利用安裝在底板的定位元件可以將工件快速定位;該夾具采用六點定位原理進行定位;其中定位元件限制了外折角零件沿X軸移動，沿Y軸移動，X軸的轉動，沿Y軸轉動以及Z軸轉動五個自由度;底板限制了外折角零件沿Z軸移動。

3.利用夾具安裝外折角零件的加工工藝

(1)先粗加工圖1中A面的螺旋曲面 首先建立毛坯，根據零件的不規則特征，采用最常用的等高粗加工方式，對加工參數進行設置，加工方向采用順銑，加工順序Z軸優先留余量0.2mm，刀具參數用直徑12mm的硬質合金立銑刀，采用從上往下分層往返式行切法，轉速 2500r/min，切削速度1200mm/min，分層吃刀2mm行距0.5mm，點擊確定，選擇加工邊界，右鍵生成加工軌跡。接著進行后置處理生成G代碼，送至數控銑床進行加工。

(2)加工好A面后再把工件裝在工裝的另一邊鎖住，用壓板壓好，用同樣的方法加工B面在使用工裝夾具加工時，筆者發現切削過程中存在不少問題:①由于銑削力的作用，工件還是容易松動。②在加工斜邊的過程中出現嚴重的崩角缺陷。③在采用球頭刀精加工螺旋曲面時，刀具在斜邊處切入切出的過程中，材料產生嚴重的撕裂和起層現象。④刀具磨損快，加工一件需要8h。

對于上述情況，筆者覺得問題出在走刀路徑，立銑刀從上往下切削時，銑刀端齒受力，由于切削力比較大、機床的振動、切屑的影響，造成刀刃容易磨損;切削時，主軸順時針轉動，受45°主偏角銑刀銑削時產生切削力的作用，越往下切削力越大，M5螺紋處受力慢慢往工裝外松動，工件產生移位，移位之后重新鎖緊工件再從開始起刀處加工，浪費很多時間。

(3)合理的銑削方法 對于上述這一系列問題，解決方法是改變走刀路徑 (改為從下往上切削)。

(4)走刀路徑分析 ①選擇的路徑從下往上不分層加工，刀具采用較深的銑削深度、相對窄的寬度進行銑削。對于普通數控機床采用硬質合金螺旋立銑刀加工時，在銑削深度和銑削寬度的選擇上，滿足相等金屬切削去除率的前提下，優先采用較深的銑削深度，采用相對較小的切削寬度。這是由于螺旋立銑刀在加工時，刀具的磨損集中在切削的部位，如果采用小深度、大寬度的方式，對刀具的壽命影響較大。采用大深度、相對窄的寬度進行銑削時，相同的刀具，其使用壽命較高。②由于高速切削，切削力使工裝夾具受力，M5螺紋定位銷不容易松動，工件不會產生移位。③精加工時采用45°行切，實現X、Y、Z三軸聯動加工，可以提高表面質量。④刀具在切入切出時避開斜邊，避免曲面加工產生崩角，余留的部分通過鉗工挫修、拋光。

4.精度校核

用工裝夾具裝夾產品加工好一件之后，送檢驗首檢合格，表面粗糙度值達Ra=1.6μm，曲面光順、圓滑，其他尺寸均符合圖樣要求，提高了生產質量。

5.結語

通過采用工裝夾具、改變走刀路線、優化切削參數以后，夾具受力條件大大的改善，加工時間大大縮短，生產效率成倍提高。降低了刀具的成本，經濟效益得以充分體現。每批次的產品質量均完全能達到圖樣規定的技術要求，零件的外觀質量得到了客戶的好評。