一種特殊軸承支撐機構的設計與加工

肖 湘

（惠州經濟職業技術學院，廣東 惠州 516000）

1 特殊軸承支撐零件的特點

非標特殊軸承支撐底座應用領域廣闊，其設計標準并非唯一，設計靈活多樣，可根據機械運動，多方向傳送等需求設計，但其軸承需要按照國標進行裝配[1]。因此特殊軸承支撐零件的加工工藝也相對復雜，加工選用材料較為苛刻。特殊軸承支撐零件分為多道生產工序，生產效益較低，對該產品的UG編程和加工的刀具性能要求較高。

1.1 特殊軸承支撐零件特點

市場上軸承支撐結構種類相對較多，普遍適用于單方向固定，價格相對便宜，特殊軸承底座具有回轉方向靈活、高精度配合、使用簡單、維護成本低、使用壽命高，滿足特殊工作的優點，傳統軸承支撐機構采用普通車床即可完成加工，刀具使用相對較少，特殊軸承支撐零件采用CNC高精度機床和磨床加工，加工過程中刀具的斷刀次數相對較多，加工成本高，加工時間長。

1.2 該零件材料的選用

特殊軸承支撐結構對材料要求較高，其尺寸容易受到加工過程中的各種因素影響從而產生變形，尺寸超差等，例如零件加工過程中容易受到多次裝夾、多次斷刀換刀、機床產生的誤差或者、剛性不足刀具磨損等因素的影響，所以，在加工該類零件時，一般使用模具鋼。

1.3 材料（模具鋼）特性

模具鋼是用來制造冷沖模、熱鍛模、壓鑄模等模具的鋼種。大致分為以下幾類，用于不同的作業：冷軋模具鋼，鋼中含碳量大約2.0%～3.0%，其組織大部分屬于過共析鋼或萊氏鋼；熱軋模具鋼，鋼中含碳量0.3%～0.6%，屬于亞共析鋼。其中冷軋模具鋼具有耐磨損、高強度、高韌性的特點，該特殊軸承支撐機構的材料，根據產品特點和性能要求，筆者選用的是冷軋模具鋼[2]。

2 特殊軸承支撐結構的設計

該特殊軸承支撐結構的結構設計要求滿足以下幾點：①須符合零件的公差要求；②該零件工作壽命9年以上；③軸承裝配直徑D=300mm；④配合孔槽要求公差等級一級。該零件編程要求：①未注倒角值0.2mm；②單項公差按實際公差的70%；③精加工尺寸面不得有劃痕；④CNC去批鋒；⑤嚴格按照工藝流程進行UG編程。根據該零件的性能以及設計要求和加工要求，設計出其結構。特殊軸承支撐結構三維圖，如圖1。

圖1 特殊軸承支承結構三維圖

該零件整體為規整的正方形，側面有長方形配合長條，其厚度僅有5mm，長度為73mm。零件側面的配合長條用于特殊軸承支撐結構裝配過程中的精密配合，用于支撐結構和設備的相互配合，保證裝配過程中的裝配要求，同時具有在設備工作運行中固定支撐結構的作用[3]。

該零件上表面有4個軸承配合孔，用于固定特殊軸承，這4個孔直徑為25mm，滿足特殊軸承裝配過程的要求。該特殊軸承裝配過程較為簡單，但是裝配要求較高，裝配過程中要注意兩配合件表面的光潔度，不得有較為明顯的顆粒附在兩配件的表面，以免影響配件的裝配精度；零件上表面有4個U型槽，寬度為20mm，長度為20mm，高度為8mm。這4個U型槽主要用于零件裝配和固定，上下配合，該U型槽尺寸要求較高，裝配過程中難度較高。U型槽底部有半徑為3mm的精槽，用于該部位的鎖緊，防止支撐結構在工作運行中發生形變，從而最大程度上維護零件。

零件上有4個直徑為12mm，深度為8的沉頭孔，這4個沉頭孔主要用于該特殊軸承支撐結構的固定，防止該支撐結構的位置變動，保證該特殊軸承支撐結構在設備運行中正常支撐；還用于固定加工過程中的支撐結構，便于裝夾和加工，保證該特殊軸承支撐結構在加工過程中有足夠的壓力，減小加工過程中裝夾時的幾何誤差，間接保證工件的尺寸精度；沉頭孔設計方便該零件在裝配過程和加工過程中的干涉，同時也最大限度地防止了螺母的失效。

其余外形輪廓、孔、槽周邊倒角，去批鋒，防止加工過程中產生毛刺，避免劃傷手，保證工件其他夾次的二次裝夾。

3 零件加工工藝分析

3.1 毛坯選擇及加工工藝分析

零件的加工工藝是零件生產中最重要的環節，工藝的完整性和工藝的可行性決定了零件的生產質量和生產效益，生產過程中工藝出現問題可能直接導致工件的報廢，同時浪費加工時間，增加加工，因此在UG編程的前一環節必須對零件的工藝進行技術性分析，保證加工質量，盡可能控制可變因素（余量，公差）。從而進一步提高CNC加工的質量和效益，保證產品加工質量，節約生產成本，實現企業利益最大化。

3.2 毛坯及毛坯開夾位

該工件外形輪廓較為規整，零件外形尺寸較大，選擇毛坯時應該盡量用正方形毛坯料，這樣粗加工的余量較大，簡化加工工件的外形尺寸的加工，便于裝夾和夾緊。在加工的過程中尺寸越大的刀具其切削力越大。切削力越大，對夾具的要求越高，夾具的夾緊力要與刀具切削力相匹配，避免加工過程中因為夾緊力不夠而導致工件的打飛，對夾具和機床造成損壞。通過分析，結合該零件外形規整且尺寸較大的特點，該零件在第一夾開夾位應選用大板夾具，大板夾具夾緊力較大，適用大毛料開夾位和大余量的粗加工。

3.3 第一夾開夾位刀具選用

在第一夾開夾位時選用3把刀具，由于材料選擇為冷軋模具鋼，模具鋼硬度較高，難切削，因此選用刀具應為硬度較高的合金刀具[4]。提高刀具的使用壽命和降低刀具切削過程中出現斷刀的概率。1）φ16m兩刃帶圖層的硬質合金刀；2）φ6mm、長度90mm的兩刃硬質合金倒角刀；3）φ16m四刃帶圖層的硬質合金半精刀。

3.4 夾位刀具分析

條狀夾位適用于推塊夾具，夾位粗加工一般用專用刀具。該毛坯為冷軋模具鋼，其硬度高于普通的鋼材，所以在夾位粗加工中的φ16mm兩刃帶圖層的硬質合金粗加工吃刀量一般為0.7mm每刀，大余量粗加工中吃刀量小，既保護了刀具也利于工件的穩定，不易出現振刀和刀刃崩缺的現象；夾位面平面度要求高，夾位面的光潔度決定了裝夾時是否能準確裝夾，最大限度地減少了裝夾中夾具存在的集合誤差，間接保證了工件的尺寸精度和加工出來的工件的質量。φ16mm四刃帶涂層的硬質合金半精刀吃刀量較大，半精刀實際切削量較小，較大的吃刀量以及較高的轉速和進給，既減小了刀具的磨損也提高了相關面的平面度和光潔度。同時半精刀的轉速（S）和進給（F）可以給大一點，S：2500r/min，F：600mm/min。

3.5 外形輪廓加工工藝分析

零件的設計關鍵3個步驟是產品設計-工藝分析-現場加工，合理的加工工藝和穩定的加工性能是保證零件生產的必要條件。在UG編程中要根據同類產品加工經驗，結合對刀具性能的深刻理解和熟練使用，全面考慮加工過程中應力無法釋放而產生變形等影響產品加工的因素，合理制定產品的加工工藝，保證產品加工質量，滿足產品加工性能要求。1） 外形輪廓粗加工是零件加工過程中的第一步，大余量粗加工后零件表面形成的刀紋較粗糙，而且產生的批鋒較多，因此，在用φ16m兩刃帶圖層的硬質合金刀具粗加工后需要進行二次半精加工，提高工件表面的光潔度，25±0.01上下表面各留0.15mm磨床加工，磨床加工表面光潔度較好，滿足產品性能要求。2）大量粗加工需要注意尾料的變化，需要留尾料的地方不能去除剩余的尾料。3） 三維圓弧曲面粗加工。該零件表面用于固定特殊軸承的4個軸承配合孔，孔的直徑是25mm。這4個圓孔的加工使用大板推塊進行裝夾，因此在φ25mm比較難加工，平面加工難以實現。該零件長度為120mm，豎著裝夾，零件容易變形，而且不好夾緊。因此在加工φ25mm圓弧是采用三維加工，三維粗加工后曲面輪廓不平整，后續精加工中要注意表面的余量，此特征采用φ10mm圖層的硬質合金刀具進行粗加工，因此還需要用D4mm刀具進行清角，避免后續精加工時因為余量過大而造成刀具的磨損。由于圓弧曲面有個半徑為4mm的圓弧角，在半精加工中可以使用半徑為1.5mm的球刀進行圓弧面的粗加工，銑刀在半精加工中對圓弧面的精光中，表面粗糙度較差一點，球刀由于刀刃有R角，在三維切削過程中對圓弧面的精光用的恰到好處，但是銑刀剛性要求比球刀要求較高，此外銑刀的刀長比球刀要長的多（相同直徑下），在切削過程中不容易出現斷刀的現象。銑刀成本比球刀成本低，大批量加工該類零件，工廠在考慮加工刀具的成本的情況下，往往會優先使用銑刀進行加工。4）U型槽加工。U型槽加工時采用φ6mm刀具進行大余量粗加工，因為U型槽的次特征拐角半徑為2mm，因此在大余量粗加工后還需要采用φ4mm的加長刀具進行二次粗加工，直至底面和側面余量為0.1mm。三維粗加工后其曲面余量較不規整，容易后續加工中出現差錯。5）零件上孔的加工工藝。加工較大的螺紋孔時有3個重要的步驟，中心鉆點孔—合金鉆鉆孔—絲錐攻牙，其中中心鉆進行點孔時點孔的深度一般為0.8mm，中心鉆的使用是防止合金鉆打孔過程中因不受力而打偏，造成工件尺寸超差報廢。孔尺寸較深較大的情況下，由于合金鉆有效長較短，可以先采用合金鉆鉆進一部分深度，為后面的白鋼普通鉆減輕壓力。底孔較大時，一般要分不同規格大小的鉆頭進行鉆孔，大鉆頭直接打孔容易燒掉鉆頭，鉆頭直徑、鉆頭轉速和進給量越小，其切削力越小，因此需要多次打孔，直至鉆到適合攻牙的標準大小，絲錐攻牙時單次攻牙深度Q值一般為1.5mm，不能給大，Q值大的情況下，絲錐容易因為難以排鐵屑而斷刀，同時還要注意底孔的預深。使用打孔命令可以通過一個操作打完不同高度的孔，對于深度不同的孔來說，需要分開操作，進行打孔。防止在UG操作中因為遺忘先小鉆頭的原則從而導致孔打偏，造成工件報廢的不良后果。6）零件上下底面及所有特征精加工刀路分析。半精加工一般表面粗糙度為0.1mm左右，半精刀具一般為四刃刀，刃數多加工表面的效果越好，半精加工中吃刀量一般為0.1mm，其公共值一般較大。半精刀具切削量不能大，切削量過大容易造成半精不鋒利、刀刃崩缺，或者是加工出來的表面刀路不規整，表面平面度達不到要求，半精加工中轉速和進給值一般要比粗加工時的取值大（精工精槽、走圓弧拐角，徑向距離小，加長刀具除外），加工出來的平面度和刀紋效果較好。

4 專用夾具分析

4.1 專用夾具及裝配分析

機械設計與制造必須結合實際生產過程中的經驗，實際的生產中可能和理論值相差較大，例如生產過程中機床的穩定性可能和UG編程時的模擬有差距；在零件的裝夾過程中也可能產生夾具的誤差，達不到零件的裝夾要求。另外夾具的設計中也要考慮工件的定位和合理性，工件的加工過程中由于機床在切削粗加工過程中切削力較大，可能使夾具松動，從而造成工件尺寸超差，導致報廢。此外夾具的選用也要考慮工件的變形這一因素，對尺寸要求高的盡量增加工件和夾具的受力面積，同時，降低UG 編程中的切削參數，保證工件生產過程中的穩定性。

結合該特殊軸承支撐機構的性能要求和加工要求，其專用夾具的選用及裝配過程如下。

4.1.1 第一夾具裝配

第一夾為開夾位夾具，使用右上角定位，另一邊使用推塊進行夾緊。該夾具使用與外形尺寸較大且規整的工件裝夾。

4.1.2 第二夾具裝配

二夾和一夾共用一個夾具，二夾由于避空加工，增加了墊塊，將工件墊高。

4.1.3 第三夾具裝配

三夾加工該零件下表面4個直徑25mm的軸承配合孔及4個直徑為12mm，深度為8mm的沉頭孔及1mm臺階，將工件反面裝夾，如圖2（圖中XM、YM、ZM為UG軟件的加工坐標系的3個坐標軸）。

圖2 三夾裝配效果

4.2 零件裝配分析

該零件分為上下2個模塊，U型槽部分的主要作用為定位和裝夾，承受大部分的力；上下模塊用沉頭六角螺釘鎖緊，上下圓弧槽裝配軸承末端，由于該圓弧槽為上下裝配形成，所以該圓弧槽裝配過程中配合較高，同軸度要求較高，如圖3（圖中XC、YC、ZC表示UG軟件建模模式下的坐標軸）。

圖3 零件裝配效果

5 結論

該特殊軸承支撐機構整體為規整的正方形，側面有長方形配合長條，該配合長條用于軸承支撐結構裝配過程中的精密配合，滿足裝配過程中的裝配要求，同時具有在設備工作運行中固定支撐結構的作用；零件俯視圖有4個U型槽，該U型槽主要用于零件裝配和固定，上下配合；U型槽底部有半徑為3mm的精槽，用于該部位的鎖緊，防止支撐結構在工作運行中發生形變，最大程度上維持零件的壽命；零件設計4個沉頭孔，這4個孔主要用于支撐結構的固定，還用于加工過程中的固定，同時也最大限度保護螺母，防止失效。

該特殊軸承支撐機構的設計滿足該食品加工公司自動化生產的需求，結構設計合理；該產品加工工藝安排合理，產品性能良好，很好地改善了設備工況。