車床代替加工（gōng）中心加工複雜台階孔工藝
2024-2-21 來源： 中國鐵道科學研（yán）究院機車（chē）車輛研究（jiū）所 作者：王立超
1.引言（yán）
台階孔在機（jī）械加工（gōng）中極為常見且用途廣（guǎng）泛。為達到不同的使用目的，如（rú）安（ān）裝閥芯、彈簧卡圈或者做為閥口與其他零件配合等，台階孔各段的尺寸、精度和粗糙度要求也各不相同。因此，各段（duàn）的加工方法不盡相同，常見的有車、鑽、銑、鉸、鏜、加（jiā）工中（zhōng）心插補加工等。文章以一種城軌上（shàng）使用的氣動控製（zhì）閥體的生產為例，討論用車床（chuáng）代替加工中心加工多尺寸台階孔的方法。
2. 簡介
氣動控製閥是通過（guò）壓縮空氣進行控製，因此（cǐ）對（duì）閥體氣密性的要求很高，對閥體內部和外部零部件之（zhī）間的配合精度的要求很高。其（qí）原理是通（tōng）過壓（yā）縮空（kōng）氣（qì）壓力使閥芯在孔內來回移（yí）動，控製與閥芯孔貫（guàn）通的各管路的開關。閥芯（xīn）孔是閥體的核心，台階尺寸比較多，孔口（kǒu）與其他零部件配合，均為圓（yuán）弧麵。閥體的材料為鋁（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（jiào）高，經過技術分析和討論，將其改到車床上進行加工（gōng）。
3. 加工中心加工的工（gōng）藝分析
3.1 第一個孔的工藝分析
第一個（gè）孔如圖（tú） 1 所示，使用加工中（zhōng）心加工時，這個孔的加工有 3 個有難（nán）度的位置（zhì），其中Ⅰ位置難度最大（dà），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
（1）Ⅰ位置，放大圖如圖 2 所示。其（qí）主要難點在於表麵粗糙度為 Ra1.6μm、半徑為 R1.7mm的圓弧麵的加工。用加工中心加工時（shí），先用Φ6mm 的（de）立銑刀插補加工，銑出 Φ83~95mm、寬 6mm 的槽（cáo）。此時，圓弧（hú）麵頂點剩餘的加工餘量為 1.8mm，其右側的 Φ76mm 小圓（yuán）柱麵剩餘的加工餘量為 3.5mm。為了給後續成型刀留（liú）出更大的空間，還要插補加工圓弧右側的 Φ76mm小圓柱麵距離左端麵 7.5mm 小台階的一部分，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（yuán）柱麵剩餘的加工（gōng）餘量為 1.8mm。最後，用定（dìng）製的成型的銑刀進行插補加工圓弧麵以及圓弧右側直（zhí）徑為Φ76mm 的（de）小圓柱麵到尺寸。
圖 2 Ⅰ位置放大圖
（2）理論（lùn）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。經過（guò）計算，圓弧刀最細處的最大理論直徑為 4.3mm。考（kǎo）慮到機床重複定位（wèi）精度、刀具加工（gōng）精度、對刀誤差等各種誤差的積（jī）累（lèi），以及進出刀方便和排屑等問題，實際加工中，采用成（chéng）型刀具最細（xì）處直徑為3.5mm。成型刀具（jù）直徑太細是用加工中心加工的（de）致命缺點，給後（hòu）續加（jiā）工帶來了很多問題，有些甚至無法克服。
3.2 第二（èr）個孔的工藝分析
第二個孔如（rú）圖 3 所示，其情況與第一個孔（kǒng）類似，主要是圓弧麵有（yǒu）些差別（bié）。但是由於Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ位置都（dōu）是成型麵，需（xū）要定製多把成型刀具，下麵以第二個孔的Ⅲ位（wèi）置（圖 4）為例加以說明（míng）。
圖 3 第（dì）二個孔示意圖
圖 4 Ⅲ位置（zhì）放大圖
為了（le）減（jiǎn）少（shǎo）刀具（jù）數量，同時避免更換刀具和插補銑（xǐ）削浪費時間，提高孔（kǒng）的同軸度等加工精度。在加工Ⅲ位置時，先用鑽（zuàn）頭鑽孔，再用定製複合鑽頭（圖 5）一次性鑽削到位。鑽（zuàn）削後，留有（yǒu）精加工餘量，再用複合鏜刀一次鏜削到尺寸。由於Ⅲ位置成型麵的尺寸較寬，約為 10mm，複合鏜刀加工時，如果采用一個刀片進行加工，由於切削刃過寬容易引起刀具振動（dòng）而產生振紋，影響表麵粗（cū）糙度。為（wéi）了減少振動，提高表麵粗糙度（dù）和刀具使用壽命，設計（jì）成型刀時，可以考慮用兩個或兩個以上的（de）刀片組合切削來完成一個成型麵的加工。文章采（cǎi）用一把複合（hé）鏜刀上的兩個片刀來加工Ⅲ位置，如圖 6 和圖 7 所示。
圖 5 定製複（fù）合（hé）鑽頭
圖 6 複合鏜刀上的（de）片刀 1
圖 7 複合鏜刀上的（de）片刀 2
4. 改進後的加（jiā）工方法及其優缺（quē）點
文章對這兩個孔的加工方法進行了改進，將其改到車床上進行加工，從根本（běn）上解決了加工中心加工存（cún）在的（de）的問題。下麵主（zhǔ）要討論這兩個孔的車床加工（gōng）工藝的優缺點。
4.1 優點
（1）工件表麵粗（cū）糙度很（hěn）好保證。
（2）加工時間大幅減（jiǎn）少，加工效率提高。①車刀刀杆直徑遠大於加工中心（xīn）成型刀（dāo）具的刀杆直徑，具有更高的剛性，車削（xuē）進給量和吃刀量顯（xiǎn）著提升。②從工藝角度上來看，孔的車削加工工藝（yì）也遠比加（jiā）工中心（xīn）插補工藝節省時間。加工中心插補時，工件不動，刀具旋轉並以給定（dìng）的進給速度走一個整圓的軌跡。而車削時，工件旋轉，刀具進給軌跡（jì）很（hěn）短，因此（cǐ）大（dà）大減少加工時間。③刀具數量減少，相應的減少了對刀、調刀（dāo）、停車換刀的時間。
（3）減少成型刀具的定製，刀具的購買（mǎi）和維護成（chéng）本也大大降（jiàng）低。①第一個孔的圓弧位置還是采用非標車刀進行加工，其餘的複合鑽（zuàn）頭、複合鏜刀（dāo）等非標刀具全部取消。②成型車刀的刀杆很粗且剛性很好，選好加工參數，刀（dāo）具的壽命很高，基本不用（yòng）更換。③成型槽刀更換通用車刀刀片的成本也要比更（gèng）換整個整形刀具低（dī）。
4.2 缺點
（1）需要設計專用（yòng）夾具，進行偏心裝夾，普通夾具無法（fǎ）滿足工藝要求（qiú）。
（2）工件經過多次裝夾，導致孔的位置精度不好保（bǎo）證。
5. 車床偏心夾具設計、成型刀具設計
5.1 車床偏心夾具設計
文章設計了兩套專用（yòng）偏心夾具工裝以確保兩個孔的加工精度。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別，故文章僅以（yǐ）第（dì）一孔為例來討論工裝的設計過（guò）程。
夾具采用前序加工中心工序（xù）中已加工完（wán）畢的Φ57mm 孔進行（háng）中心定位，同時使用閥體的外表麵做角向定位限製，然後（hòu）用壓板來壓緊，車床偏心夾具裝配圖如（rú）圖 8 所示，通（tōng）過計算，偏心（xīn）距為70±0.1mm。為了進一步提高定位精度，中心孔定位銷可采用脹套設計，夾具的磨（mó）損不（bú）會影響定位精度。也可以對定位銷結構進行改進，改（gǎi）成中心銷和套環兩部分組成，根（gēn）據公差範圍（wéi）將套環按0.01mm 分級做成多個。在實際加工中，根據孔的實際尺寸配用套環，以確保中心定位銷和孔的間（jiān）隙不超（chāo）過 0.01mm，來提高定位精度。文章采用後者。
1. 壓（yā）板 ;2. 工件 ;3. 螺（luó）母 ;4. 過渡盤 ;5.夾具（jù） ;6.平衡塊 ;7. 雙頭螺柱 ;8.中心（xīn）孔（kǒng）定位銷 ;9.支撐板 ;10. 螺釘
圖 8 車床偏心夾具裝配圖
由於工件是偏心（xīn）裝夾（jiá），如果夾具的總體結構不平衡，夾具隨著車床的主軸旋轉時會產生的離心力。工件在離心力的作用下（xià）將產生振動，影響工件的加工精度和表麵粗糙度，同時也加劇機床主軸和軸承的（de）磨（mó）損，存（cún）在安全隱患（huàn）。因此，為了提高（gāo）工件的加工質量（liàng）和機床的使用壽命，需要對夾具進行平衡（héng）。
平（píng）衡的方法有兩種 : 設置平衡塊或加工（gōng）減重孔。文章采（cǎi）用設置（zhì）平衡塊的方法來進行夾具的平衡。計算平衡塊重（chóng）量時，采用隔離法做（zuò）近（jìn）似估算。即把工件及夾具上的（de）各個元件，隔離成幾個部（bù）分，相平（píng）衡的各個部分忽（hū）略不計，對於不平衡的（de）部分，按力矩平衡原理確定平衡塊的重量。經過估算，配重塊的重量約為 3.5kg。為了（le）彌補估算法的不準（zhǔn）確性，平衡塊上開有（yǒu）徑向槽，以（yǐ）便在加工中進行調整，以（yǐ）達到更好的平衡效果。
5.2 刀具設計及加工
由於批量不大，為了降低刀具購買成本，文章設計並製造了一把單體式車刀，下麵進行說明（míng）。
5.2.1 刀片（piàn）及刀杆的材料選擇
由於被加工（gōng）材料（liào）為鋁合金 6061-T6，其切削性能較好，且加（jiā）工過程中有切削液（yè）散熱，所以刀片的工作條件相對較好。成型刀片的材料選用常用的鎢係高速鋼 W18Cr4V，其具有高硬度、紅（hóng）硬性級（jí）高溫（wēn）硬度。切（qiē）削（xuē）溫度為 540℃時，硬度可以保持在 HRC66 ; 切削（xuē）溫（wēn）度為 600℃時，硬度可保（bǎo）持在 HRC63。材料具有熱處理（lǐ）範圍較寬（kuān），淬火過程（chéng）中不易過熱，熱處理過程不易氧化脫（tuō）碳，磨削加（jiā）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（mǎn）足文章的鋁合金加工要求，且具有（yǒu）較長的使用壽命（mìng）。該鋼屬於常用的刀具鋼，價格低廉，有利於降低成（chéng）本。
5.2.2 刀具設計
（1）成型刀（dāo）具設計原理。單體成（chéng）型刀（dāo）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（kuò）設計。根據（jù）刀具設計原理（lǐ），垂直於後刀麵的刀具（jù）輪廓與被加工零件輪廓完全一致（zhì）。
（3）刀具參數設計。為了得到較準確的圓弧（hú）輪廓，刀具的前角選為 0°。綜合考慮刀具強度（dù）和表（biǎo）麵粗糙度，後角選為 10°。為了在有限的刀具工作（zuò）空間（jiān）內，盡可能提高刀具的強度，刀頭背麵選擇 10°，如圖 9 所示（shì）。
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的工作狀態，在線切割（gē）機床上加工（gōng）刀（dāo）具輪廓，以（yǐ）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（de）度數（shù） 10°，使用工裝將刀具墊高 10°，再利用線切割按照圓弧的輪廓來切（qiē）割成型刀具。這種（zhǒng）加工方法加工出的刀具的實際後角是變化（huà）的，隻有與線切割機床走刀方向相（xiàng）垂直的那段輪廓的後角是 10°，其他不垂直位置的刀具實際後角都大於 10°。但是這不影響刀（dāo）具的輪廓和加工精度。
6. 提高孔加工質量的工藝改進
（1）由於（yú）閥體內（nèi）有很多孔，其中（zhōng）一些與閥芯孔相（xiàng）貫通。為了（le）解決孔相交處的毛刺問（wèn）題，在工藝安排上，其他表麵粗糙度要求不高的通氣孔（kǒng）先加工，重要的閥芯孔均是最（zuì）後加工，以防止毛刺方向朝向閥（fá）芯孔內側。
（2）每完成一道工序，均采用壓縮空氣吹去所有（yǒu）殘留、鋁屑等雜質。待所有加工工序完成後，用 40MPa 的高壓水槍進行（háng）清洗，確保毛刺、殘屑全部清洗（xǐ）幹淨（jìng），以防（fáng）在產品使用（yòng）時產生不良影響。
（3）所有孔都進行人工（gōng）去毛刺，特別在兩（liǎng）個閥芯孔去毛刺時，在用力以及工（gōng）具（jù）延伸方麵，均朝向閥（fá）芯孔外側，再次防止去毛刺邊角外翻到閥芯孔，影響其（qí）使用性能。
7. 結論
（1）通過改進兩個閥芯孔的工藝，整個閥體加（jiā）工（gōng）時間（jiān）節省了近 50min，大大縮短了加工時間（jiān），提（tí）高了生產（chǎn）效率。
（2）從根本上解決了加工中心（xīn）圓弧成型刀具太細而導致刀具折斷等各種問題，保證了產品的加工質量。
（3）自行設計並製造了高效且易於維護成型車刀，這種加工方法加工的刀具輪（lún）廓形狀（zhuàng）的準確性（xìng）很高，簡單、實用、成本低廉。
（4）減少了多把複（fù）合鑽頭（tóu）、複合鏜刀（dāo）的使用，大（dà）大節省了（le）刀具費用。
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