方套方鏤空零件的加工工藝方法研究

陳李中

（華南理工大學廣州學院機械工程學院，廣東 廣州510800）

0 引言

鬼工球是中華文明的瑰寶，它是一種典型的鏤空零件。這種鏤空的雕刻技術被廣泛應用于石雕、象牙雕刻等藝術領域，但在金屬的鏤空零件加工方面卻很少見，像方套方鏤空零件，如圖1所示。方套方零件造型獨特，設計美觀，三個立方體零件互相鑲套，各個立方體可在其內部自由旋轉，但又無法從中脫出。其內部結構精巧，立方體相互位置要求較精確，尺寸控制較難，即使對于車床操作熟練者也不易加工。

圖1 方套方鏤空零件

這類零件的機械切削加工方法及理論依據較少。特別是普通車削加工中，將圓柱形棒料如何加工成立方體，并且同時加工三個鑲套的立方體有一定的難度，其中涉及到的車削技術、裝夾方法也較具有典型性[1]。本文即是對該零件的設計過程、工藝、加工難點、車削加工方法等進行簡要論述。

1 鏤空立方體零件的結構分析

經零件設計，得到的立方體鏤空零件裝配體工程圖，其尺寸、公差如圖2所示。

圖2 方套方鏤空模型工程圖

由工程圖所示，所需加工零件分為三個內嵌立方體。大立方體的邊長為（50±0.05）mm，中間立方體的邊長為（28±0.02）mm，最小立方體邊長為（15±0.02）mm，小立方體面上的內孔為Φ8±0.05 mm，大立方體與中立方體之間的內槽直徑為Φ41±0.05 mm，槽寬3.5 mm，中立方體與小立方體之間的內槽直徑為 Φ26±0，05 mm，槽寬 2.5 mm，最小立方體上的孔 Φ20±0.05 mm.

要對該零件進行加工，首先要對上述零件的幾何結構進行分析，在加工過程中要著重考慮以下問題：（1）三個立方體的同心重合，邊長要滿足小于大立方體上外部圓的直徑；（2）小的立方體不會脫出外部，在大立方體的內部留有自由旋轉的間隙。

考慮到加工中小立方體與大立方體的鏤空間隙，利用軟件可以方便的進行零件設計及模擬裝配的檢驗：大立方體邊長（50±0.05）mm，大立方上孔 Φ35±0.05mm，深度11mm，在大立方體內部車削內槽（間隙）至 Φ41±0.05 mm，槽寬3.5 mm ，剩余立方體邊長為（28±0.05）mm，最小立方體上的孔 Φ20±0.05mm，

各立方體設計大小依據如下：

根據勾股定理，設立方體面上為兩個直角三角形，直角三角形兩直角邊為a和b，斜邊（立方體面對角線）為c，

那么 a2+b2=c2，c=

大立方體面對角線長度為50mm×1.414=70.7 mm.

中立方體面對角線長度為28 mm×1.414=39.592 mm.

中立方體體對角線長度為39.592×1.414=55.983 mm.

內槽間隙空間對角線長度為Φ41±0.05 mm× 1.414=（57.974±0.05）mm.

通過以上計算分析，中立方體面對角線長度39.592 mm＞孔Φ35±0.05mm，故中立方體不會脫出。又由于在大立方體和小立方體的間隙中直接切除內槽Φ41±0.05mm，槽寬3.5mm，中立方體對角線長度55.983 mm＜大立方體間隙是內槽Φ41±0.05 mm形成的立方體對角線。中立方面對角線長度＜內槽徑Φ41±0.05 mm，故邊長（28±0.05）mm 的中立方可在內部自由旋轉。

同理，最小立方體邊長（15±0.05）mm，小立方面對角線長15 mm×1.414=21.2 1mm，由于剩余中立方體孔Φ20±0.05 mm，車內槽至位置17.5 mm，槽內徑Φ26±0.05 mm，寬2.5 mm，剛好將連接切斷，故小立方體可在內部自由旋轉且無法脫出。

2 零件加工工藝制定

2.1 工藝原則

根據以上立方體鏤空零件工程圖2，為保證圖紙各部分的加工余量，由于立方體面的正方形對角線長度為70.7 mm，故選材料為Φ80 mm×80 mm棒料。先車削大的立方體，然后加工立方體每個面上的孔及內槽，最后加固立方體的裝夾，同時切出三個獨立的立方體[2]。

制定零件加工工藝時需考慮以下幾方面。

（1）加工工藝制定的準則：1）要保證立方體的形狀位置精度，采用粗、精加工分開的原則；2）先粗加工定位基準；3）精加工定位基準；4）盡量工裝夾具避免基準轉換誤差；5）按照合理的加工工藝方案逐步加工[3]。

（2）釆用自制開口司套夾具。如果把立方體零件直接在三爪自定心卡盤上裝夾，是無法裝夾穩定牢固，也無法校正立方體的中心和同軸度，而且三個爪的夾緊力不均衡，也會使零件容易變形。為解決這些問題，采用了開口司套裝夾（如圖3），較好的保證了立方體不易變形，減少了立方體零件在車床上校正的麻煩，提高了加工的效率[4-5]。

圖3 開口司套夾具

（3）當在加工好立方體的5個面及空位間隙之后，再次裝夾該零件時，由于已加工立方體部分已經鏤空，使被加工的立方體無法再承受加工中的切削力，此時為了增加工件材料的承受力，采用塑料橡膠填滿已加工好零件上的孔和間隙，冷卻后變硬，這樣就可增加工件承受切削力的強度，順利加工好最后一個加工表面上的孔及間隙槽（圖7）。

2.2 加工步驟

基于以上原則，根據鏤空立方體的零件圖并結合自已有的相關加工經驗，制定該零件的加工工藝步驟，具體如下：

（1）按照先粗后精的、先面后孔、基準先行的原則。首先粗加工正方體（50±0.2）mm ×（50±0.2）mm 的六個面，然后精加工成邊長（50±0.05）mm的立方體。

（2）然后用開口司套裝夾立方體胚（見圖4），保證立方體不變形并保證正方體的邊長（50±0.05）mm尺寸精度。

圖4 三爪卡盤司套夾具裝夾

（3）接著加工立方體基準面上的孔，如圖5所示。孔Φ8±0.05 mm長50mm、車內孔Φ20±0.05mm長17.5mm，車內孔Φ35±0.05mm長，11mm.

圖5 加工好的立方體面上的孔及槽

（4）采用內孔切槽（臂長12 mm，槽寬3 mm，刀尖伸出4mm）刀具進行切削。在位置長度11 mm上車Φ41±0.05 mm寬3.5 mm的內槽；在位置長度17.5mm車Φ26±0.05mm寬2.5mm.

（5）按照（1～4）的步驟，依次重復，車好其他五個面的孔及內槽。

（6）接下來給立方體加固，用塑料橡膠把加工好的孔及所有間隙都填滿，如圖6所示，等塑料橡膠干燥后變硬。

圖6 立方體面上的孔填上滿玻璃膠

（7）然后繼續裝夾立方體，加工立方體第六個面的孔及內槽：車內孔Φ20±0.05 mm長17.5 mm，車內孔Φ35±0.05 mm長7.5 mm.用方槽內孔車刀，在位置長度7.5 mm車內槽Φ41±0.05 mm寬3.5 mm；在長度17.5 mm位置車內槽Φ26±0.05 mm寬2.5 mm，這樣中間正方體的邊長（28±0.05）mm，最小正方體邊長（15±0.05）mm就車好，它們的連接也就切斷。

（8）最后取下該零件，把所有塑料橡膠填充物清理干凈，立方體鏤空零件加工完成，如圖7所示。

圖7 加工完成的方套方鏤空零件

3 結束語

根據鏤空立方體零件的3D建模、工藝制定、加工方法的實踐研究，解決了車削加工技術難度，及裝夾過程中容易產生變形等特殊問題。通過制訂合理的加工方案，最終實踐加工效果好，零件的精度也得到了保證。該零件的加工研究為類似鏤空零件的車床加工提供了理論的依據和實踐方法。

[1]楊 和.車鉗工技能訓練[M].天津：天津大學出版社，2000.

[2]王 平，葉曉葦.車削工藝技術[M].遼寧：遼寧科學技術出版社，2009.

[3]賈 軍，黎勝榮.典型零件數控車加工生產[M].北京：機械工業出版社，2011.

[4]陳宏鈞，方向明，馬素敏.典型零件機械加工生產實例[M].北京：機械工業出版社，2004.

[5]劉 潔.偏心件車削及夾具設計[J].機械工程師，2012.（06）：123-124.