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車（chē）床代替加工中心加（jiā）工複雜台階孔工藝

2024-10-25 來源：中國鐵道科學（xué）研究院機車車輛研（yán）究所作者：王立超

［摘要］分析加工（gōng）中心加工城軌氣動控製閥複雜尺寸（cùn）台階孔的弊端，對工藝進行改進，使用車床（chuáng）代替加工（gōng）中心進行加工。設計了專用車床偏心夾具，設計並製造了圓弧（hú）成型刀具，從根本上解決了加工中心加工（gōng）過程中存在的（de）問題，保（bǎo）證了產品質量，提高了（le）生產效率，降低了生產（chǎn）成本。本工藝經過了實際生產的驗證，已應用於（yú）批量生產中。

［關鍵詞（cí）］台階孔；成型刀具；複合鑽頭；複合鏜刀；偏心夾具；平衡塊

0、引言

台階（jiē）孔（kǒng）在機械加工中極為（wéi）常見且用途廣泛。為（wéi）達到不同的使用目的，如安（ān）裝閥芯（xīn）、彈簧卡圈或（huò）者做（zuò）為閥口與（yǔ）其他零件配（pèi）合等，台階孔各（gè）段的尺寸、精度和粗糙度要求也各（gè）不相同。因此，各段的加工方法（fǎ）不盡相同，常見的有車、鑽、銑、鉸（jiǎo）、鏜（táng）、加工中心插補加工等。文（wén）章以一種城軌上使用的氣動控（kòng）製（zhì）閥體的生產為例（lì），討論用車床代替加工中心加工多尺寸（cùn）台階孔的方法。

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（hěn）高，對（duì）閥體內部和外部零部件（jiàn）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（xīn）在（zài）孔內來回（huí）移動，控製與（yǔ）閥芯孔貫通的各管（guǎn）路的開關（guān）。閥芯孔是閥體的核心，台階尺寸比較多，孔口與其他零（líng）部件配合，均為圓弧麵。閥體的材料為鋁（6061-T6），有兩個閥芯孔這（zhè）兩個孔（kǒng）最初（chū）在加工中心上加工，但是由（yóu）於問題比較多，加工（gōng）成本較高，經過（guò）技（jì）術分析和討論，將其改到車床上（shàng）進行加工。

2、加工中心加工的工藝分析

2.1　第一個孔的工藝分析

第一個孔如圖1所示，使用加（jiā）工中（zhōng）心（xīn）加工（gōng）時，這個孔的加工有3個有難度的位置，其中Ⅰ位置（zhì）難度最大，Ⅱ位置、Ⅲ位置依次次之，下麵分別討論。

圖1 第一個孔示意

（1）Ⅰ位置，放大圖如（rú）圖2所示。其主（zhǔ）要難點在於表麵粗糙度為 Ra1.6μm、半（bàn）徑為 R1.7mm 的圓弧麵的加工。用加（jiā）工中心加工時，先用 Φ6mm 的立銑刀插補加工，銑出 Φ83 ～ 95mm、寬 6mm 的槽。此時，圓弧麵頂點剩餘（yú）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（gěi）後續成型刀留出更大的空間，還（hái）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 加工到Φ79.6mm。此（cǐ）時，6mm 寬的環槽被（bèi）加寬到 7.7mm，圓弧麵剩餘的加工餘（yú）量為0.1mm，其右側（cè） Φ76mm 的小圓柱麵剩餘（yú）的（de）加工餘量為1.8mm。最後，用定製的成型的銑刀進（jìn）行插補加工圓弧麵以及圓弧右側直徑（jìng）為 Φ76mm 的小圓柱麵到尺寸。

圖2 Ⅰ位置放大圖

（2）理論上，上（shàng）述加工方法能留給圓弧成型刀的最大工作寬（kuān）度為7.7mm。經過計（jì）算，圓弧刀最細處的最大理（lǐ）論直徑為4.3mm。考慮到機床重複定位精度、刀具加（jiā）工精度、對刀誤差等（děng）各種誤差的積（jī）累，以及進出刀方便和排屑等問題，實（shí）際加工中，采用成型刀具最細處直徑為3.5mm。成型（xíng）刀具（jù）直徑太（tài）細是用加工中心加工的致命缺點，給（gěi）後續加工帶來了很多問題，有些甚至無法克服（fú）。

2.2　第二個（gè）孔（kǒng）的工藝分析

第二個孔（kǒng）如圖3所示，其情況與第一個孔類似，主要是（shì）圓弧麵有些差別。但是由於Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ位置都是（shì）成型麵，需要定製多把成型刀具，下麵以第二個（gè）孔的Ⅲ位置（圖4）為例加以說明。

圖3 第二個孔示意（yì）圖

圖4 Ⅲ位置（zhì）放大（dà）圖

為了減少刀具數量，同時避免更換刀具和插補（bǔ）銑削浪費（fèi）時間，提高（gāo）孔的同軸度等加工精度。在加工Ⅲ位置時，先用鑽頭鑽（zuàn）孔，再用定製複（fù）合鑽頭（圖5）一次性鑽削到位。鑽削後，留有精加工餘量，再用複合鏜刀（dāo）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（guǒ）采用一個刀片進行加工，由於（yú）切（qiē）削刃（rèn）過寬容易引起刀具振動而產生振紋，影響表麵（miàn）粗糙（cāo）度。為了減少振動，提（tí）高表（biǎo）麵粗糙（cāo）度（dù）和刀（dāo）具使用壽命（mìng），設計成（chéng）型刀時，可以（yǐ）考慮用兩個或兩個以上（shàng）的刀片組合切削來完成一個成型麵的加工。文章采用一把複（fù）合鏜刀上的兩個片刀來加工Ⅲ位（wèi）置（zhì），如圖6和圖7所示。

圖5 定製（zhì）複合鑽頭

圖6 複合鏜刀上的片刀1

圖7 複合鏜刀上的片刀2

3、改進後的加工方法及其優（yōu）缺點

文章對這兩個孔的加工方法進行了改進（jìn），將其改到車床上進行加工（gōng），從根本上解決（jué）了加工中心加工存在的的問題。下麵主要討論這兩個（gè）孔的車床加工工藝的優缺點。

3.1　優點

（1）工件表麵粗糙度很好保（bǎo）證（zhèng）。

（2）加工時間大幅減少（shǎo），加工效率提（tí）高。①車刀刀杆直徑遠大於加工中（zhōng）心成型刀具的刀杆直徑，具有更高的剛性，車削進給量和吃刀量顯著提升。②從工藝角度（dù）上來看，孔的車削加工工藝也遠比加工中心插補工（gōng）藝（yì）節省時間。加工中心插補時，工件不動，刀具旋轉並以給定的進給速度走一個整圓的軌（guǐ）跡。而車削時，工件旋轉，刀具進給軌跡很（hěn）短，因此大大減少加工時間。③刀（dāo）具（jù）數量減少，相應的減少了對刀、調刀、停（tíng）車換刀的時間。

（3）減少成型刀具的定製（zhì），刀具的購買和維護成本也大大降低。①第一個孔的圓弧位置還是采用非標車刀進行加工，其（qí）餘（yú）的複合鑽頭、複合鏜刀等非標（biāo）刀具全部取消。②成型車刀的刀杆很粗且剛（gāng）性很好，選好加工參數，刀具的壽命很高，基本不用更換。③成（chéng）型槽刀更（gèng）換通用車（chē）刀（dāo）刀片（piàn）的成本也要（yào）比更換整個整形刀具低。

3.2　缺點

（1）需要設計專用夾具，進行偏（piān）心裝夾，普（pǔ）通夾具無法滿足工藝要求。

（2）工（gōng）件經過多次裝夾，導致孔（kǒng）的位（wèi）置精度（dù）不好保證。

4、車床（chuáng）偏心夾具設計、成型刀（dāo）具設計

4.1　車床偏心夾具設計

文章設計了兩套專用偏心夾具工裝以（yǐ）確保兩個孔（kǒng）的加（jiā）工精度。這兩套工（gōng）裝的（de）定位和夾緊方式類似，僅存（cún）在尺寸和公差上的區別，故文章僅以第一孔為例來討論工裝的設計過程（chéng）。

夾具（jù）采用前序加工中心工序中已加工完畢（bì）的 Φ57mm孔進行中心定位，同時使用閥體（tǐ）的外表麵做角向定位限製，然後用壓板來壓緊，車床偏心夾具裝配圖如圖8所示，通過（guò）計算，偏（piān）心距為70±0.1mm。為了進一步提高定（dìng）位精度，中心孔定位銷可采用脹（zhàng）套設計（jì），夾具的磨損不（bú）會影響定位精度。也可以（yǐ）對定位銷結構進行改進，改成中心銷和套環兩部分（fèn）組成，根據公差範圍將套（tào）環按0.01mm 分級做成多個。在實（shí）際加工中，根據孔的實際尺寸配用套環，以確保中心定位（wèi）銷和孔的間（jiān）隙不超過0.01mm，來提（tí）高定位精度。

由於工件是偏心裝夾，如（rú）果夾具的總體結構不平衡，夾具隨著車床（chuáng）的主軸旋轉（zhuǎn）時會產生的離心力。工件在離心力（lì）的作用下將產生振動，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）磨損，存在安全隱患。因此，為了（le）提高工件的加工質量和機床（chuáng）的使用（yòng）壽命，需要（yào）對夾具進行（háng）平衡。

1.壓板；2.工（gōng）件；3.螺（luó）母；4.過（guò）渡盤；5.夾具；6.平衡（héng）塊；7.雙（shuāng）頭（tóu）螺柱；8.中心孔定位銷；9.支（zhī）撐板；10.螺釘

圖8 車床偏心夾具裝（zhuāng）配圖

平衡的方法有兩種：設置平衡塊或加工減重（chóng）孔。文章采用設置平衡塊的方法來進行夾具（jù）的平（píng）衡。計算平衡塊重量時，采用隔離法做近似估算。即把工件及夾具上的各個元件，隔離成幾個部分，相平衡的各個部分忽略不計，對於不平衡的部分，按力矩平衡原理確定（dìng）平衡塊的重量。經過估（gū）算，配重塊的重量約為 3.5kg。為（wéi）了彌補估算法的不準確性，平衡塊上開有徑向槽，以便在加工中（zhōng）進行調整，以達到更好的平衡效果。

4.2　刀具設計及加（jiā）工

由於批量不大，為了降低刀具購買成本，文章設計並製造（zào）了一把單體式車刀（dāo），下麵進行說（shuō）明。

4.2.1　刀片及（jí）刀杆的材料選擇

由於（yú）被加工（gōng）材料（liào）為鋁合（hé）金6061-T6，其切削性能較好，且加工過程中（zhōng）有切（qiē）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（yòng）常用的鎢係高速鋼 W18Cr4V，其具有高硬度、紅硬性級高溫硬度（dù）。切削溫度為540℃時，硬度可以（yǐ）保持在 HRC66 ；切削溫度為600℃時，硬度可（kě）保持在（zài） HRC63。材料具有熱處（chù）理範圍較寬，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（mó）出鋒利的（de）切削刃，加工工藝成熟等優點。完全滿足（zú）文章的鋁合金加工要求，且具（jù）有較長的使用（yòng）壽命。該（gāi）鋼屬於常用的刀具鋼，價格低廉，有利於（yú）降低成本。

4.2.2　刀具（jù）設計

（1）成型刀具設（shè）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上的（de）投影的形狀。

（2）刀具輪廓設計（jì）。根據刀具設計原（yuán）理，垂直（zhí）於後刀（dāo）麵的（de）刀具輪廓與（yǔ）被（bèi）加工零件輪廓完全一致。

（3）刀具參數設計。為了得到較準確的圓弧輪廓，刀具的前角（jiǎo）選為0°。綜（zōng）合（hé）考慮刀具強度和表麵粗糙度，後（hòu）角選為10°。為了在有限的刀具工作空間內，盡可能提高（gāo）刀具的強（qiáng）度，刀頭背麵選擇（zé）10°，如圖9所示。

圖9 刀具二維圖

4.2.3　刀具加工

刀（dāo）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（jiā）工刀具輪（lún）廓，以保證成型刀具輪廓的準確性。加工（gōng）刀具時，根據刀具後角的度數10°，使用工裝將刀具墊高 10°，再利用線切割按照（zhào）圓弧的（de）輪廓來（lái）切割（gē）成型刀（dāo）具（jù）。這（zhè）種加工方法加工出的刀具的實際後角是變（biàn）化的，隻有與線切（qiē）割機床走刀方向相垂直的那（nà）段輪廓的後角（jiǎo）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（xiǎng）刀具的輪廓和加工精度。

5、提高孔加工質量的工（gōng）藝改進

（1）由於閥體內有很多孔，其中一些與閥芯孔相貫通。為了解（jiě）決（jué）孔相交處的毛刺問題，在工藝安排上，其他表麵粗（cū）糙度要（yào）求不高的通氣孔先加工，重要的閥芯孔均是最後加工，以（yǐ）防止毛刺方向朝向閥芯孔內側。

（2）每完成（chéng）一道工序，均采用壓縮空氣吹去所有殘留（liú）、鋁屑等雜質。待所有加工工序完成後，用40MPa 的高壓水槍進行清洗，確保毛刺、殘屑全部清洗幹淨，以防在產（chǎn）品使用時產生不良影響。

（3）所有孔（kǒng）都進行人工去毛刺，特（tè）別在兩（liǎng）個（gè）閥芯孔去毛刺（cì）時，在用力以及工具延伸方麵（miàn），均朝向閥芯孔外側，再次防止去（qù）毛刺邊角外翻（fān）到閥芯孔（kǒng），影響其使用性能。

6、結論

（1）通過（guò）改進兩個閥芯孔的工藝，整個（gè）閥體加工時間節（jiē）省了近50min，大大縮短了（le）加工時間，提高了生（shēng）產效率。

（2）從根本上（shàng）解決了加工中心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（liàng）。

（3）自行設計並（bìng）製造了（le）高效且（qiě）易於維護成型車刀，這種加工方法加（jiā）工的刀（dāo）具輪廓形狀的準確性很高，簡單、實用（yòng）、成本低廉。

（4）減少了多把複合鑽頭、複合鏜刀的使用，大（dà）大節（jiē）省了（le）刀具費用。

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