車床代替加工中心加工復(fù)雜臺(tái)階孔工藝
2024-2-21 來源：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所 作者：王立超
1.引言
臺(tái)階孔在機(jī)械加工中極為常見且用途廣泛。為達(dá)到不同的使用目的，如安裝閥芯、彈簧卡圈或者做為閥口與其他零件配合等，臺(tái)階孔各段的尺寸、精度和粗糙度要求也各不相同。因此，各段的加工方法不盡相同，常見的有車、鉆、銑、鉸、鏜、加工中心插補(bǔ)加工等。文章以一種城軌上使用的氣動(dòng)控制閥體的生產(chǎn)為例，討論用車床代替加工中心加工多尺寸臺(tái)階孔的方法。
2. 簡介
氣動(dòng)控制閥是通過壓縮空氣進(jìn)行控制，因此對(duì)閥體氣密性的要求很高，對(duì)閥體內(nèi)部和外部零部件之間的配合精度的要求很高。其原理是通過壓縮空氣壓力使閥芯在孔內(nèi)來回移動(dòng)，控制與閥芯孔貫通的各管路的開關(guān)。閥芯孔是閥體的核心，臺(tái)階尺寸比較多，孔口與其他零部件配合，均為圓弧面。閥體的材料為鋁（6061-T6），有兩個(gè)閥芯孔。這兩個(gè)孔最初在加工中心上加工，但是由于問題比較多，加工成本較高，經(jīng)過技術(shù)分析和討論，將其改到車床上進(jìn)行加工。
3. 加工中心加工的工藝分析
3.1 第一個(gè)孔的工藝分析
第一個(gè)孔如圖 1 所示，使用加工中心加工時(shí)，這個(gè)孔的加工有 3 個(gè)有難度的位置，其中Ⅰ位置難度最大，Ⅱ位置、Ⅲ位置依次次之，下面分別討論。
圖 1 第一個(gè)孔示意
（1）Ⅰ位置，放大圖如圖 2 所示。其主要難點(diǎn)在于表面粗糙度為 Ra1.6μm、半徑為 R1.7mm的圓弧面的加工。用加工中心加工時(shí)，先用Φ6mm 的立銑刀插補(bǔ)加工，銑出 Φ83~95mm、寬 6mm 的槽。此時(shí)，圓弧面頂點(diǎn)剩余的加工余量為 1.8mm，其右側(cè)的 Φ76mm 小圓柱面剩余的加工余量為 3.5mm。為了給后續(xù)成型刀留出更大的空間，還要插補(bǔ)加工圓弧右側(cè)的 Φ76mm小圓柱面距離左端面 7.5mm 小臺(tái)階的一部分，從外徑 Φ83mm 加工到 Φ79.6mm。此時(shí)，6mm寬的環(huán)槽被加寬到 7.7mm，圓弧面剩余的加工余量為 0.1mm，其右側(cè) Φ76mm 的小圓柱面剩余的加工余量為 1.8mm。最后，用定制的成型的銑刀進(jìn)行插補(bǔ)加工圓弧面以及圓弧右側(cè)直徑為Φ76mm 的小圓柱面到尺寸。
圖 2 Ⅰ位置放大圖
（2）理論上，上述加工方法能留給圓弧成型刀的最大工作寬度為 7.7mm。經(jīng)過計(jì)算，圓弧刀最細(xì)處的最大理論直徑為 4.3mm。考慮到機(jī)床重復(fù)定位精度、刀具加工精度、對(duì)刀誤差等各種誤差的積累，以及進(jìn)出刀方便和排屑等問題，實(shí)際加工中，采用成型刀具最細(xì)處直徑為3.5mm。成型刀具直徑太細(xì)是用加工中心加工的致命缺點(diǎn)，給后續(xù)加工帶來了很多問題，有些甚至無法克服。
3.2 第二個(gè)孔的工藝分析
第二個(gè)孔如圖 3 所示，其情況與第一個(gè)孔類似，主要是圓弧面有些差別。但是由于Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ位置都是成型面，需要定制多把成型刀具，下面以第二個(gè)孔的Ⅲ位置（圖 4）為例加以說明。
圖 3 第二個(gè)孔示意圖
圖 4 Ⅲ位置放大圖
為了減少刀具數(shù)量，同時(shí)避免更換刀具和插補(bǔ)銑削浪費(fèi)時(shí)間，提高孔的同軸度等加工精度。在加工Ⅲ位置時(shí)，先用鉆頭鉆孔，再用定制復(fù)合鉆頭（圖 5）一次性鉆削到位。鉆削后，留有精加工余量，再用復(fù)合鏜刀一次鏜削到尺寸。由于Ⅲ位置成型面的尺寸較寬，約為 10mm，復(fù)合鏜刀加工時(shí)，如果采用一個(gè)刀片進(jìn)行加工，由于切削刃過寬容易引起刀具振動(dòng)而產(chǎn)生振紋，影響表面粗糙度。為了減少振動(dòng)，提高表面粗糙度和刀具使用壽命，設(shè)計(jì)成型刀時(shí)，可以考慮用兩個(gè)或兩個(gè)以上的刀片組合切削來完成一個(gè)成型面的加工。文章采用一把復(fù)合鏜刀上的兩個(gè)片刀來加工Ⅲ位置，如圖 6 和圖 7 所示。
圖 5 定制復(fù)合鉆頭
圖 6 復(fù)合鏜刀上的片刀 1
圖 7 復(fù)合鏜刀上的片刀 2
4. 改進(jìn)后的加工方法及其優(yōu)缺點(diǎn)
文章對(duì)這兩個(gè)孔的加工方法進(jìn)行了改進(jìn)，將其改到車床上進(jìn)行加工，從根本上解決了加工中心加工存在的的問題。下面主要討論這兩個(gè)孔的車床加工工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。
4.1 優(yōu)點(diǎn)
（1）工件表面粗糙度很好保證。
（2）加工時(shí)間大幅減少，加工效率提高。①車刀刀桿直徑遠(yuǎn)大于加工中心成型刀具的刀桿直徑，具有更高的剛性，車削進(jìn)給量和吃刀量顯著提升。②從工藝角度上來看，孔的車削加工工藝也遠(yuǎn)比加工中心插補(bǔ)工藝節(jié)省時(shí)間。加工中心插補(bǔ)時(shí)，工件不動(dòng)，刀具旋轉(zhuǎn)并以給定的進(jìn)給速度走一個(gè)整圓的軌跡。而車削時(shí)，工件旋轉(zhuǎn)，刀具進(jìn)給軌跡很短，因此大大減少加工時(shí)間。③刀具數(shù)量減少，相應(yīng)的減少了對(duì)刀、調(diào)刀、停車換刀的時(shí)間。
（3）減少成型刀具的定制，刀具的購買和維護(hù)成本也大大降低。①第一個(gè)孔的圓弧位置還是采用非標(biāo)車刀進(jìn)行加工，其余的復(fù)合鉆頭、復(fù)合鏜刀等非標(biāo)刀具全部取消。②成型車刀的刀桿很粗且剛性很好，選好加工參數(shù)，刀具的壽命很高，基本不用更換。③成型槽刀更換通用車刀刀片的成本也要比更換整個(gè)整形刀具低。
4.2 缺點(diǎn)
（1）需要設(shè)計(jì)專用夾具，進(jìn)行偏心裝夾，普通夾具無法滿足工藝要求。
（2）工件經(jīng)過多次裝夾，導(dǎo)致孔的位置精度不好保證。
5. 車床偏心夾具設(shè)計(jì)、成型刀具設(shè)計(jì)
5.1 車床偏心夾具設(shè)計(jì)
文章設(shè)計(jì)了兩套專用偏心夾具工裝以確保兩個(gè)孔的加工精度。這兩套工裝的定位和夾緊方式類似，僅存在尺寸和公差上的區(qū)別，故文章僅以第一孔為例來討論工裝的設(shè)計(jì)過程。
夾具采用前序加工中心工序中已加工完畢的Φ57mm 孔進(jìn)行中心定位，同時(shí)使用閥體的外表面做角向定位限制，然后用壓板來壓緊，車床偏心夾具裝配圖如圖 8 所示，通過計(jì)算，偏心距為70±0.1mm。為了進(jìn)一步提高定位精度，中心孔定位銷可采用脹套設(shè)計(jì)，夾具的磨損不會(huì)影響定位精度。也可以對(duì)定位銷結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改成中心銷和套環(huán)兩部分組成，根據(jù)公差范圍將套環(huán)按0.01mm 分級(jí)做成多個(gè)。在實(shí)際加工中，根據(jù)孔的實(shí)際尺寸配用套環(huán)，以確保中心定位銷和孔的間隙不超過 0.01mm，來提高定位精度。文章采用后者。
1. 壓板 ;2. 工件 ;3. 螺母 ;4. 過渡盤 ;5.夾具 ;6.平衡塊 ;7. 雙頭螺柱 ;8.中心孔定位銷 ;9.支撐板 ;10. 螺釘
圖 8 車床偏心夾具裝配圖
由于工件是偏心裝夾，如果夾具的總體結(jié)構(gòu)不平衡，夾具隨著車床的主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生的離心力。工件在離心力的作用下將產(chǎn)生振動(dòng)，影響工件的加工精度和表面粗糙度，同時(shí)也加劇機(jī)床主軸和軸承的磨損，存在安全隱患。因此，為了提高工件的加工質(zhì)量和機(jī)床的使用壽命，需要對(duì)夾具進(jìn)行平衡。
平衡的方法有兩種 : 設(shè)置平衡塊或加工減重孔。文章采用設(shè)置平衡塊的方法來進(jìn)行夾具的平衡。計(jì)算平衡塊重量時(shí)，采用隔離法做近似估算。即把工件及夾具上的各個(gè)元件，隔離成幾個(gè)部分，相平衡的各個(gè)部分忽略不計(jì)，對(duì)于不平衡的部分，按力矩平衡原理確定平衡塊的重量。經(jīng)過估算，配重塊的重量約為 3.5kg。為了彌補(bǔ)估算法的不準(zhǔn)確性，平衡塊上開有徑向槽，以便在加工中進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到更好的平衡效果。
5.2 刀具設(shè)計(jì)及加工
由于批量不大，為了降低刀具購買成本，文章設(shè)計(jì)并制造了一把單體式車刀，下面進(jìn)行說明。
5.2.1 刀片及刀桿的材料選擇
由于被加工材料為鋁合金 6061-T6，其切削性能較好，且加工過程中有切削液散熱，所以刀片的工作條件相對(duì)較好。成型刀片的材料選用常用的鎢系高速鋼 W18Cr4V，其具有高硬度、紅硬性級(jí)高溫硬度。切削溫度為 540℃時(shí)，硬度可以保持在 HRC66 ; 切削溫度為 600℃時(shí)，硬度可保持在 HRC63。材料具有熱處理范圍較寬，淬火過程中不易過熱，熱處理過程不易氧化脫碳，磨削加工性能較好，容易磨出鋒利的切削刃，加工工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)。完全滿足文章的鋁合金加工要求，且具有較長的使用壽命。該鋼屬于常用的刀具鋼，價(jià)格低廉，有利于降低成本。
5.2.2 刀具設(shè)計(jì)
（1）成型刀具設(shè)計(jì)原理。單體成型刀的輪廓形狀是切削刃在垂直于其后刀面的平面上的投影的形狀。
（2）刀具輪廓設(shè)計(jì)。根據(jù)刀具設(shè)計(jì)原理，垂直于后刀面的刀具輪廓與被加工零件輪廓完全一致。
（3）刀具參數(shù)設(shè)計(jì)。為了得到較準(zhǔn)確的圓弧輪廓，刀具的前角選為 0°。綜合考慮刀具強(qiáng)度和表面粗糙度，后角選為 10°。為了在有限的刀具工作空間內(nèi)，盡可能提高刀具的強(qiáng)度，刀頭背面選擇 10°，如圖 9 所示。
圖 9 刀具二維圖
5.2.3 刀具加工
刀具的加工思路是完全模擬刀具切削時(shí)的工作狀態(tài)，在線切割機(jī)床上加工刀具輪廓，以保證成型刀具輪廓的準(zhǔn)確性。加工刀具時(shí)，根據(jù)刀具后角的度數(shù) 10°，使用工裝將刀具墊高 10°，再利用線切割按照?qǐng)A弧的輪廓來切割成型刀具。這種加工方法加工出的刀具的實(shí)際后角是變化的，只有與線切割機(jī)床走刀方向相垂直的那段輪廓的后角是 10°，其他不垂直位置的刀具實(shí)際后角都大于 10°。但是這不影響刀具的輪廓和加工精度。
6. 提高孔加工質(zhì)量的工藝改進(jìn)
（1）由于閥體內(nèi)有很多孔，其中一些與閥芯孔相貫通。為了解決孔相交處的毛刺問題，在工藝安排上，其他表面粗糙度要求不高的通氣孔先加工，重要的閥芯孔均是最后加工，以防止毛刺方向朝向閥芯孔內(nèi)側(cè)。
（2）每完成一道工序，均采用壓縮空氣吹去所有殘留、鋁屑等雜質(zhì)。待所有加工工序完成后，用 40MPa 的高壓水槍進(jìn)行清洗，確保毛刺、殘屑全部清洗干凈，以防在產(chǎn)品使用時(shí)產(chǎn)生不良影響。
（3）所有孔都進(jìn)行人工去毛刺，特別在兩個(gè)閥芯孔去毛刺時(shí)，在用力以及工具延伸方面，均朝向閥芯孔外側(cè)，再次防止去毛刺邊角外翻到閥芯孔，影響其使用性能。
7. 結(jié)論
（1）通過改進(jìn)兩個(gè)閥芯孔的工藝，整個(gè)閥體加工時(shí)間節(jié)省了近 50min，大大縮短了加工時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。
（2）從根本上解決了加工中心圓弧成型刀具太細(xì)而導(dǎo)致刀具折斷等各種問題，保證了產(chǎn)品的加工質(zhì)量。
（3）自行設(shè)計(jì)并制造了高效且易于維護(hù)成型車刀，這種加工方法加工的刀具輪廓形狀的準(zhǔn)確性很高，簡單、實(shí)用、成本低廉。
（4）減少了多把復(fù)合鉆頭、復(fù)合鏜刀的使用，大大節(jié)省了刀具費(fèi)用。
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