對(duì)稱弧形檔鐵零件的高效加工工藝研究

曾柏權(quán)

（廣東省韶關(guān)市技師學(xué)院，廣東 韶關(guān)512023）

0　引言

在我院校企合作加工的系列產(chǎn)品中，其中有一特殊零件（弧形檔鐵）如圖1所示。

圖1　弧形檔鐵

在φ120外圓臺(tái)階處，有一組徑向?qū)ΨQ圓弧表面需要加工，待加工圓弧R80表面的形位精度要求工件軸線的對(duì)稱公差0.02 mm，R80的上偏差為-0.20 mm，下偏差為-0.40 mm，加工難度大。

原始加工方案是：①安排車床工序：加工外圓、加工臺(tái)階、加工倒角、加工內(nèi)孔、內(nèi)錐。②采用立式鉆床鉆對(duì)稱孔φ11。③普通銑床上銑削鍵槽。④數(shù)控線切割加工R3及兩直角面。⑤數(shù)控銑床、加工中心單件銑削對(duì)稱圓弧表面R80.

在數(shù)控銑床、加工中心銑削中，毎次只能加工一個(gè)零件，精度雖可以保證，但加工成本較大，沒有充分發(fā)揮數(shù)控銑床和加工中心的作用。為此，通過對(duì)其工藝進(jìn)行研究改進(jìn)，研制了一種專用夾具來加工，在保證加工精度的同時(shí)，大幅縮短輔助時(shí)間，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，降低了加工成本。

1　專用夾具設(shè)計(jì)與分析

原方案效率低，主要是因?yàn)闅按沃荒芗庸ひ粋€(gè)零件，因此新的加工方案的出發(fā)點(diǎn)是提高一次加工的零件數(shù)。為此，需要設(shè)計(jì)專用的夾具。利作專用夾具的優(yōu)點(diǎn)，以獲得較高的加工精度和生產(chǎn)效率。

1.1　設(shè)計(jì)原理

工件圓弧表面R80通過合理布置安裝在圓形花盤上，可構(gòu)成一個(gè)直徑φ160的圓，構(gòu)成的圓屬于回轉(zhuǎn)體。如果能利用這種關(guān)系，則便可在車床加工。則需要設(shè)法通過1∶5錐孔進(jìn)行錐形心軸裝夾定位，錐形心軸可通過螺母、開口墊圈實(shí)現(xiàn)定位。而構(gòu)成一個(gè)直徑φ160的圓平均分布在圓周上需要6個(gè)工件同時(shí)安裝，從而推論出只要把直徑φ160的圓的圓心設(shè)計(jì)與車床主軸軸線同軸，即可設(shè)計(jì)專用夾具，實(shí)現(xiàn)以車代銑，最大限度的擴(kuò)展機(jī)床的使用范圍。夾具裝配圖如圖2所示。

圖2　夾具裝配圖

1.2　工件在夾具中的定位分析

如圖2所示，夾具體的錐形心軸1限制了工件的五個(gè)自由度，止轉(zhuǎn)削邊銷5限制了一個(gè)自由度。夾具體的錐形心軸1相當(dāng)于五個(gè)支承點(diǎn)限制了工件的五個(gè)自由度，X移動(dòng)、Y移動(dòng)、Z移動(dòng)、Y轉(zhuǎn)動(dòng)、Z轉(zhuǎn)動(dòng)。止轉(zhuǎn)削邊銷5定位相當(dāng)于一個(gè)支承點(diǎn)，它限制了一個(gè)自由度X轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.3　夾具定位誤差和定位精度的分析

由定位分析可知，夾具采用了心軸、圓柱孔、止轉(zhuǎn)圓柱銷進(jìn)行定位，將會(huì)產(chǎn)生一定的定位誤差，要保證圓弧面與工件軸線的距離及圓弧面在工件軸線中的對(duì)稱要求，必須使工件在夾具中定位所產(chǎn)生的誤差小于工件的形位公差。

1）尺寸鏈分析，夾具主體零件圖（圖3）所示尺寸

φ30軸與孔φ30H7的最大間隙為：[6]

0.025-（ -0.016）=0.041（mm）

則工件軸線與主軸軸線距離為：

100.025+0.041=100.066（mm）

2）若R80轉(zhuǎn)為φ160孔徑加工時(shí)控制公差為±0.05mm，則：

圓弧面與工件軸線的最大距離為：

103.066-79.975=23.091 ＜ 23.26（mm）

圓弧面與工件軸線的最小距離為：

102.934-80.025=22.909 ＞ 22.74（mm）

故滿足圓弧面與工件軸線的距離要求，同時(shí)φ160孔徑控制在公差為±0.05 mm時(shí)，也滿足R80圓弧的精度要求。

由此得到新的加工方案：新方案以車代銑，專門設(shè)計(jì)了專用夾具使六個(gè)工件能夠同時(shí)安裝，并能保證工件待加工圓弧R80的圓心處在主軸軸線上。因此只需將基準(zhǔn)軸軸線相對(duì)于主軸軸線平行偏離一個(gè)準(zhǔn)確的距離（偏心距103 mm）夾具裝配圖（見圖2）所示即可達(dá)到加工的裝夾要求。利用削邊銷采用工件上已鉆削出的φ11孔中的其中一個(gè)作為工件止轉(zhuǎn)定位，可保證圓弧表面的位置精度，從而保證工件在夾具中定位，利用螺母、開口墊圈輔助夾緊，使工件在整個(gè)車削過程中始終保持正確的位置達(dá)到加工要求。

1.4　強(qiáng)度校核

通過受力分析，導(dǎo)致止轉(zhuǎn)削邊銷剪切疲勞強(qiáng)度極限的變形量因素主要有兩方面。一方面由剪應(yīng)力影響，另一方面由離心力的影響。

通過主切削力計(jì)算公式：FZ=2 000 apf[2]

當(dāng)選取 ap=1 mm、f=0.1 mm/r，則：FZ=2 000× 1 × 0.1=200（N）

剪應(yīng)力的計(jì)算：當(dāng)選取止轉(zhuǎn)削邊銷為φ10 mm，[3]則截面積A=πR2=3.14×52≈0.007 85 M2.

τ=Q/A=FZ/A=200÷0.007 85=25 477.71 Pa≈25.477 MPa

當(dāng)選取材料為45#，許用應(yīng)力為30 MPa.根據(jù)剪切強(qiáng)度條件 τ=Q/A ≤ [τ]，τ≈ 25.477 MPa ≤ [τ][4]故，止轉(zhuǎn)削邊銷軸符合剪切強(qiáng)度要求。

2　夾具制作、安裝[5]

2.1　夾具的構(gòu)成

夾具的構(gòu)成分為四部分：錐形心軸、定位裝置、夾緊裝置、夾具體構(gòu)成。其零部件具有各種不同的幾何形狀、尺寸規(guī)格，并且它們的精度高、硬度高、耐磨性好，具有良好的互換性。可以非常方便維護(hù)，便于重復(fù)使用。夾具體可直接安裝在車床主軸上。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造難度不大。夾具主體零件圖，如圖3所示。

圖3　夾具主體零件圖

2.2　夾具的安裝

夾具體可直接安裝在車床主軸上。因?yàn)楣ぜ茄b夾在夾具上加工的，因此，夾具體的精度直接影響工件的加工精度，故加工工件前必須對(duì)夾具體進(jìn)行精度檢測(cè)，要求夾具體本身的幾何誤差小于工件相關(guān)公差的1/3～1/2.

2.3　工件加工工藝

工序一：車床加工外圓、加工臺(tái)階、加工倒角、加工內(nèi)孔、內(nèi)錐。

工序二：采用立式鉆床鉆對(duì)稱孔φ11.

工序三：普通銑床上銑削鍵槽。

工序四：數(shù)控線切割加工R3及兩直角面。

工序五：利用設(shè)計(jì)的夾具安裝，對(duì)徑向局部圓弧進(jìn)行加工，實(shí)際上是將R80圓弧轉(zhuǎn)換成加工φ160 mm的孔徑，從而達(dá)到設(shè)計(jì)的目的，找到解決問題的方法。

2.4　加工φ160mm的孔徑數(shù)控工藝

1）零件圖工藝分析

a）技術(shù)要求分析 加工φ160達(dá)尺寸精度要求，銳邊去毛刺。

b）確定夾具安裝工件的裝夾方案，合理選擇加工起點(diǎn)、換刀點(diǎn)，建立工件坐標(biāo)系原點(diǎn)。

2）制定加工工藝路線。

3）根據(jù)工藝特點(diǎn)，合理選擇刀具，使用鏜孔車刀進(jìn)行孔的粗、精加工。

4）確定切削三要素：選取切削深度ap=1 mm、進(jìn)給量f=0.1 mm/r、轉(zhuǎn)速N=220 r/min

5）編寫加工程序

O 0001 程序名

N10 G0 X200 Z100 定位到加工起點(diǎn)，換刀點(diǎn)

N20 S220 M3 T0101 啟動(dòng)主軸轉(zhuǎn)速，正轉(zhuǎn)，換1號(hào)刀并執(zhí)行刀偏

N30 G99 G0 X152 Z20 定位到孔加工起點(diǎn)

N40 G90 X154 Z－2 F0.1 粗車孔，每刀切削深度1mm

N50 G90 X156 Z－2 F0.1 粗車孔，每刀切削深度1mm

N60 G90 X158 Z－2 F0.1 粗車孔，每刀切削深度1mm

N70 G90 X159 Z－2 F0.1 半精車孔，每刀切削深度1mm

N80 G90 X160 Z－2 F0.1 精車孔，每刀切削深度1 mm

N90 G0 X200 Z100 刀具返回加工起點(diǎn)

N100 T0100 換1號(hào)刀并取消刀偏

N110 M30 程序結(jié)束

3　生產(chǎn)效率對(duì)比分析

生產(chǎn)效率是企業(yè)生存和發(fā)展的重要因素之一，所以保證生產(chǎn)效率是產(chǎn)品加工重要環(huán)節(jié)。生產(chǎn)效率比較必須在機(jī)床設(shè)備調(diào)試正常、加工質(zhì)量穩(wěn)定、批量生產(chǎn)前提下進(jìn)行。現(xiàn)通過進(jìn)行對(duì)稱弧形檔鐵零件的加工采集數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)效率比較：

3.1　加工中心、數(shù)控銑床、CJK6140經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床單件機(jī)動(dòng)工時(shí)間比較

在數(shù)控銑床和加工中心中，只能實(shí)現(xiàn)一次一件的加工，加工效率低，不經(jīng)濟(jì)；在CJK6140經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床上采用夾具裝夾加工，一次可實(shí)現(xiàn)六工位同時(shí)加工，單件機(jī)動(dòng)工時(shí)間如下表1所示。

表1　單件機(jī)動(dòng)工時(shí)間比較

3.2　加工中心、數(shù)控銑床、CJK6140經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床單件耗電比較

在數(shù)控銑床和加工中心中，裝夾工件時(shí)間長(zhǎng)，電能損耗高，在CJK6140經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床上采用夾具裝夾加工，一次可實(shí)現(xiàn)六工位同時(shí)加工，裝夾時(shí)間短，電能損耗低，單件耗電比較如下表2所示。

表2　單件耗電比較

采用上表數(shù)據(jù)對(duì)比和分析的結(jié)果判斷，利用CJK6140經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床設(shè)計(jì)專用夾具裝夾加工的方法加工，要比采取數(shù)控銑床單件裝夾加工的方法效率高，要比采取加工中心單件裝夾加工的方法效率高。利用CJK6140經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床設(shè)計(jì)專用夾具裝夾加工大大提高生產(chǎn)效率、降低成本，是目前加工的最佳方法。

4　零件加工實(shí)體

利用CJK6140經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床設(shè)計(jì)專用夾具裝夾加工零件質(zhì)量達(dá)圖紙要求，如圖4所示。

圖4　零件加工實(shí)體圖

5　結(jié)束語

本文講述的例子，采用夾具后，大量減少輔助時(shí)間，同時(shí)降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，勞動(dòng)生產(chǎn)率顯著提高，其關(guān)鍵因素是工件的裝夾定位。正確處理好夾具核心問題，解決刀柄剛度問題、切削用量選取更精準(zhǔn)、控制切屑流出方向因素，問題就迎刃而解。

參考文獻(xiàn)：

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