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齒輪加工機床(chuáng)

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車床代替加工中心加工複雜台階孔工藝
2024-10-25  來源: 中國鐵(tiě)道科學研究院機車車(chē)輛研究所   作者:王立超
 
    [摘 要]分析加工中心加工城軌氣動控製閥複雜(zá)尺寸台階孔的弊端(duān),對工藝進行改進,使(shǐ)用車床代(dài)替加工中心進行加工。設計了專用車床偏心夾具,設計並(bìng)製造(zào)了圓弧成型刀具,從根(gēn)本上解決了加工中心(xīn)加工過程中存在的問題,保(bǎo)證了產(chǎn)品質量,提(tí)高了生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本。本工藝經過了實際生產的驗(yàn)證,已應用於批量生產中。

    [關鍵詞]台階孔 ;成(chéng)型刀具 ;複合鑽頭 ;複合鏜刀 ;偏心夾具(jù) ;平衡塊

     0、引言
 
     台階孔在機械加工中極為常見且用途廣泛。為達到不同的使用目的,如安裝閥芯、彈簧卡圈或者做為閥口與其他零件配合等,台階孔各段的尺(chǐ)寸(cùn)、精度(dù)和粗糙度要求也(yě)各不相同。因此,各段的(de)加工方法不盡相同,常見的有車、鑽(zuàn)、銑、鉸、鏜、加工中心插補加工等。文章以一種城軌上使用的氣動控製(zhì)閥體的生產為例,討論用車床代替加工中心加工多尺寸台階孔(kǒng)的方法(fǎ)。
  
     1、簡介
  
     氣動控製閥是通過壓縮空氣進行控製,因此對閥體氣密性的要求很高,對閥體內部和外部零部件之間的配合精度的要求很高。其(qí)原理是通過壓縮空氣壓力使閥芯在孔內來回移(yí)動,控製與閥芯孔貫通(tōng)的各(gè)管(guǎn)路(lù)的開關(guān)。閥(fá)芯孔是閥體的核心(xīn),台階尺寸(cùn)比較多,孔(kǒng)口(kǒu)與其他零部件配合(hé),均(jun1)為圓(yuán)弧(hú)麵。閥體的材(cái)料為鋁(6061-T6),有兩個閥芯孔這兩個孔最初在加工中心上加工,但是(shì)由於問題比較多,加工成本較高,經過技術分析和討論,將其改到車床上進行加工。

     2、加工中心加工的工藝分析
  
     2.1  第一個(gè)孔的工藝分析
  
     第(dì)一個孔如圖1所示,使用加工中(zhōng)心加工時,這個孔的加工(gōng)有3個有難(nán)度的位置,其中Ⅰ位置難度最大,Ⅱ位置、Ⅲ位置依次次之(zhī),下麵分別討論。

 

圖1  第一個孔示意(yì)
  
     (1)Ⅰ位置,放大圖如圖2所示。其主要難點在於表麵粗糙度為 Ra1.6μm、半徑為(wéi) R1.7mm 的圓弧麵的加工。用加工中心加工時,先用 Φ6mm 的立銑刀插(chā)補加工,銑出 Φ83 ~ 95mm、寬 6mm 的槽。此時,圓弧麵(miàn)頂(dǐng)點剩餘的加(jiā)工餘量為1.8mm,其右側的 Φ76mm 小(xiǎo)圓柱麵剩餘的加工餘(yú)量為3.5mm。為了給後(hòu)續(xù)成型刀留出更大的空間,還要插補加(jiā)工圓弧右(yòu)側的 Φ76mm 小圓(yuán)柱(zhù)麵距離左端麵 7.5mm 小台(tái)階的一部分,從外徑 Φ83mm 加工(gōng)到Φ79.6mm。此時,6mm 寬的環槽被加寬到 7.7mm,圓弧麵剩餘的加工餘量為0.1mm,其右側 Φ76mm 的小圓柱麵剩餘的加工餘量為1.8mm。最後,用定製(zhì)的成型的銑刀(dāo)進(jìn)行(háng)插補加工圓弧麵以及圓弧右側直徑為 Φ76mm 的小圓柱麵到尺寸。


圖2  Ⅰ位置放大圖
  
     (2)理論(lùn)上,上(shàng)述(shù)加工方法能留給圓弧成型刀的(de)最大工作寬度為(wéi)7.7mm。經過計算,圓弧刀最細處的最大理論直(zhí)徑為4.3mm。考慮到機床重複定位精度、刀具加工精度、對刀誤差等各種(zhǒng)誤差的積累,以及進出(chū)刀方便和排屑等問題,實際加工中,采用成型(xíng)刀具最(zuì)細處直徑為(wéi)3.5mm。成型刀具直徑太細是用加(jiā)工中(zhōng)心加工的致(zhì)命缺點,給後續加工帶來了很多問題,有些甚至無法克服。
  
     2.2  第二個孔的(de)工藝分析
  
     第二個孔如圖3所示,其情況(kuàng)與第一個孔類似,主要是圓弧麵(miàn)有些差別。但是(shì)由於Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ位(wèi)置都是成型麵,需要定製(zhì)多把成型刀具,下麵以(yǐ)第(dì)二個孔的(de)Ⅲ位(wèi)置(圖4)為例(lì)加以說明。


圖(tú)3  第二個孔示意(yì)圖

圖4  Ⅲ位置放大圖

  
     為了減少刀具數量,同時避免更換(huàn)刀具和插補銑削浪費時間(jiān),提高孔的同軸度等加工精度。在加工Ⅲ位置時,先用鑽頭(tóu)鑽孔,再用定製複合鑽頭(圖5)一次(cì)性鑽削到位(wèi)。鑽削後,留有精加工餘量(liàng),再用(yòng)複(fù)合鏜刀一次鏜削到尺寸。
  
     由於Ⅲ位置成型麵的尺寸較寬(kuān),約為(wéi)10mm,複合鏜刀加工時,如果采用一個(gè)刀片進行加工,由於切削刃過寬容易引起刀具振動而產生振紋,影響表麵粗(cū)糙度。為了減少振動,提高表麵粗糙度和刀具使用壽命(mìng),設計成型刀時,可(kě)以(yǐ)考慮用兩個或兩個以上的刀片組(zǔ)合切削(xuē)來完成一個成型麵的加工。文章采用一把複合鏜刀上的兩(liǎng)個片刀來加工Ⅲ位置,如圖6和圖7所示。


圖5  定製複合鑽頭

  
   
圖6  複合鏜刀(dāo)上的片刀1

  
   
圖(tú)7  複合鏜刀上的(de)片刀2
  
     3、改(gǎi)進後的加工方法及其優缺點
  
     文章對這兩個孔的加工方法進行了改進(jìn),將其改到(dào)車床上進行(háng)加工,從根本上解決了加工中心(xīn)加工存在的的問題。下麵主要討論這(zhè)兩個孔的車床加工工藝的優(yōu)缺點。
  
     3.1  優點
  
     (1)工件表麵粗(cū)糙度很好保證。
  
     (2)加工時間(jiān)大幅減少,加工效率提高。①車刀刀杆直徑遠大於加工中心成型刀具的刀杆直徑,具有更高(gāo)的(de)剛性,車削進給量(liàng)和吃刀量顯著提升。②從工藝角度上來(lái)看,孔的車削(xuē)加工工藝也遠比加工中(zhōng)心插(chā)補工藝節省時間。加工中(zhōng)心插補(bǔ)時,工件不(bú)動,刀具旋轉並以給定的(de)進給速度走一個整圓的軌跡(jì)。而車(chē)削時,工件旋轉,刀具進(jìn)給(gěi)軌跡很短,因此大大減少加(jiā)工(gōng)時間。③刀(dāo)具數量減少,相應的減少了對刀(dāo)、調刀、停車換刀(dāo)的時(shí)間。
  
     (3)減少成型刀具的定製,刀具的購買(mǎi)和維護成本也大大降(jiàng)低。①第一個孔的圓弧(hú)位置還是采用非標車刀(dāo)進(jìn)行加(jiā)工(gōng),其餘(yú)的複合鑽頭、複合鏜刀等非標刀具(jù)全部取消。②成型(xíng)車(chē)刀的刀杆很粗且剛性很好,選好加(jiā)工參數,刀具的壽命很高,基本不用更換。③成型槽(cáo)刀更換(huàn)通用車刀刀片的成本也要比(bǐ)更換整個整形刀具低。
  
     3.2  缺點(diǎn)
  
     (1)需要設計專用夾具,進行偏心(xīn)裝夾,普通夾具無法滿足工藝要求。

     (2)工件經過多次裝夾,導致孔的位置精度不好(hǎo)保證。
  
     4、車床偏心夾具設計、成型刀具設計
  
     4.1  車床偏心夾(jiá)具設計
  
     文章設計了兩套專用偏心夾具工裝(zhuāng)以確保兩個孔(kǒng)的加工(gōng)精度。這兩套工裝的定位和夾緊方式(shì)類似,僅存在尺(chǐ)寸和(hé)公差上的區別,故文章(zhāng)僅以第一孔為例來討論工裝的設計過程。

     夾具采用前序加工中心工序中已加工(gōng)完畢的 Φ57mm孔(kǒng)進行中心定位,同時使(shǐ)用閥體的外表麵做角向定位限(xiàn)製,然後用壓板來壓緊,車床偏心夾具裝配圖如圖8所示,通過計算,偏心距為70±0.1mm。為了進一步提高定位精度,中心(xīn)孔(kǒng)定位銷可(kě)采用脹套設計,夾具的磨損不會影響(xiǎng)定位精度。也可以對定位銷結構進行改進,改成中(zhōng)心銷和套環兩部分組成,根據公差範圍將套環(huán)按0.01mm 分級做成多個。在實際加(jiā)工中,根據孔的實際尺寸配用套環,以確保中心定位銷和(hé)孔的間隙不超過0.01mm,來提(tí)高(gāo)定位精度。
 
     由於工件(jiàn)是偏心裝夾,如(rú)果夾具的總體結構不平衡,夾(jiá)具隨著車床的主軸旋(xuán)轉時(shí)會產(chǎn)生的離心力。工件在離心力的作用下將產生(shēng)振動,影響工件的加工精度和表麵粗糙度,同時也加劇機床(chuáng)主(zhǔ)軸和軸承(chéng)的磨損,存在安全隱患。因此,為了提高工件的加工質量和機床的使用壽命,需要對夾具進行平衡。

   
1.壓板;2.工件;3.螺母;4.過(guò)渡盤;5.夾具;6.平衡(héng)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(tú)
  
     平衡的方法有兩種 :設(shè)置平衡塊或加工減重孔(kǒng)。文章采用設置平(píng)衡塊的方法來進行夾具的平衡。計算平衡塊重量時,采用隔離(lí)法做近似估算。即把工件及夾具上的各個元件,隔離(lí)成幾個部分,相平(píng)衡的各個部分忽略不計,對於不平(píng)衡的部分(fèn),按力(lì)矩平衡原理(lǐ)確定平衡塊的重量。經過估算,配(pèi)重塊的重量約為 3.5kg。為了彌補估算法的不準確性(xìng),平衡塊上開有徑向槽,以便在加工(gōng)中進行調整,以(yǐ)達到更好的平衡(héng)效果。
  
     4.2  刀具設計及加工
  
     由於批量不大,為了降低刀具購(gòu)買成本,文章設計並製造了一把單體式(shì)車刀,下麵進行說明。

     4.2.1  刀片(piàn)及刀杆的(de)材(cái)料選擇
  
     由於被加工材料(liào)為鋁合金6061-T6,其切削性能較好(hǎo),且加工過程中有(yǒu)切削(xuē)液散熱,所以刀片的工作條件相對較好。成型刀片的(de)材料選用常用的鎢係(xì)高速鋼 W18Cr4V,其具有(yǒu)高硬度、紅硬性級高溫硬度。切削溫度為540℃時,硬(yìng)度可以保持在 HRC66 ;切削溫度為600℃時,硬度可保持在 HRC63。材料具有熱處理範圍較寬,淬火過程中不易過熱,熱處(chù)理過程不易(yì)氧化脫碳,磨削加工性能較好,容易磨出鋒利的切削刃,加工工藝成熟等優點。完全滿足文章的鋁合金加工要求,且具有較長的使用壽命。該鋼屬於常用的刀具鋼,價格低廉,有利於降低成本。
  
     4.2.2  刀具設計
  
     (1)成型刀具設計原理。單體成型刀的輪廓形狀是切削刃在垂直於其後刀麵的平麵(miàn)上的投影的形狀。
     (2)刀具(jù)輪廓設計。根據刀(dāo)具(jù)設計原理,垂直於後刀麵的刀具輪廓與(yǔ)被加工零件(jiàn)輪廓完全一致。
     (3)刀具參數(shù)設計。為了得到較準(zhǔn)確的圓弧輪廓,刀具的前角選為(wéi)0°。綜合考慮刀具強度和表麵粗糙度,後角選(xuǎn)為10°。為了在有限的刀具工作空間內,盡可能提高刀具的(de)強度(dù),刀頭背麵選擇10°,如(rú)圖(tú)9所示。
 
  
圖9  刀具二維圖
  
     4.2.3  刀(dāo)具加工(gōng)
  
     刀具的加工思路是完全模擬刀具切削時的工作狀態,在線切割機床上加工刀具(jù)輪廓,以保(bǎo)證成型刀具輪廓的準確性。加工刀具時,根據刀具後角的度數10°,使用工(gōng)裝將刀具墊高 10°,再利用線切割按照圓弧的(de)輪廓來切割成型刀具。這種加工方法加工出的刀具的實際後角是變化的,隻有與線切割機床(chuáng)走刀方向相垂直的(de)那段輪廓的後角是10°,其他不垂直位置的刀具實(shí)際後角(jiǎo)都大於(yú)10°。但是這(zhè)不影響刀具的輪廓和加工精度。
  
     5、提高孔加工質量的工藝改進
  
     (1)由於閥(fá)體內有(yǒu)很多孔(kǒng),其中一些與閥芯孔相貫通。為了解(jiě)決孔相交(jiāo)處的毛刺問題,在工藝安排上,其他表麵粗糙度要求不高的通氣孔先加工,重要的閥芯(xīn)孔均是最後加工,以防止毛刺方向(xiàng)朝向閥芯孔內側(cè)。
  
     (2)每完成一道工序,均采用壓縮空氣(qì)吹去所有殘留、鋁屑等雜質(zhì)。待所有加工(gōng)工序完成後,用40MPa 的高壓水槍進行(háng)清洗,確保毛刺、殘屑全部清洗幹淨,以防(fáng)在產品使用時產生不(bú)良影響。
  
     (3)所有孔都進(jìn)行人工去毛刺(cì),特別在兩個閥芯孔(kǒng)去毛刺時,在用(yòng)力以及工具延伸方麵(miàn),均朝(cháo)向閥芯孔外側,再(zài)次防止去毛刺邊角外翻到閥芯(xīn)孔,影響其使用性能。
  
     6、結論
  
     (1)通過改進(jìn)兩個閥芯孔的(de)工藝,整(zhěng)個閥體加工時間節省了近50min,大大縮(suō)短了加工時間(jiān),提高了生產效率。
     (2)從根本上解決了加工中(zhōng)心圓(yuán)弧(hú)成型刀具太細而導致刀具折(shé)斷等各種問題,保證了產品的加工(gōng)質量。
     (3)自行設計並製造了高效且易於(yú)維護成型車刀(dāo),這種加工方法加工的刀具輪廓形(xíng)狀的準確性(xìng)很高,簡單、實用、成本低(dī)廉。
     (4)減少了多把複合鑽頭、複合鏜刀(dāo)的使用,大大節省(shěng)了刀具費用。
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