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車床代替加工中心加工複雜台階孔工（gōng）藝

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

［摘要］分析加工中心加工城軌氣動控製（zhì）閥（fá）複雜尺寸台（tái）階孔的弊端，對工藝進行改進，使用車床代替加工中心進行加工。設計了專用（yòng）車床偏心夾具，設計並製造了圓弧成型刀具，從根本上（shàng）解決了加工中心加工過（guò）程中存在的問題，保證了產品質量，提高了生產效（xiào）率，降低了生（shēng）產成本。本工藝經過了實際（jì）生產的驗證，已應（yīng）用（yòng）於批量生產中。

［關鍵詞］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（zhě）做為閥口與其他（tā）零件配合等，台階（jiē）孔各段的尺寸、精度和粗糙度（dù）要求也各不相同。因此，各段的加工方法不盡相同（tóng），常見的有車、鑽、銑、鉸（jiǎo）、鏜、加工中心插補加工等。文章以一種（zhǒng）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（tǐ）氣密性的要求很高，對閥（fá）體內（nèi）部和外部零部（bù）件之間的配合精度的要（yào）求很高。其原理是通（tōng）過壓縮空氣壓力使閥芯在孔內來（lái）回移動，控製與閥芯孔貫通的各管路的開關。閥芯孔是閥體的核心，台階尺寸比較多，孔口與其他零部件配合，均為圓弧（hú）麵。閥體的材料為鋁（6061-T6），有兩個閥芯孔這兩（liǎng）個孔最（zuì）初在加工中心上（shàng）加工，但是由於問題比較（jiào）多，加工成（chéng）本較高，經過技術分（fèn）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　第一個孔的工藝分析

第一個孔如圖1所示，使用加（jiā）工（gōng）中心加工時，這個孔的加工有3個（gè）有難度的位置，其中Ⅰ位置（zhì）難（nán）度最大，Ⅱ位（wèi）置、Ⅲ位置依次次之，下麵分別討（tǎo）論。

圖1 第（dì）一個孔示意

（1）Ⅰ位置，放大圖如（rú）圖2所示。其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（gōng）中心加工時（shí），先（xiān）用 Φ6mm 的立銑刀插補加工，銑出 Φ83 ～ 95mm、寬 6mm 的（de）槽。此時，圓弧麵頂（dǐng）點剩餘的加工餘量（liàng）為1.8mm，其右側的 Φ76mm 小圓柱麵剩餘的加工餘量為3.5mm。為了給後續成型（xíng）刀留出（chū）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 加工到Φ79.6mm。此時，6mm 寬的環槽被加寬到 7.7mm，圓弧麵剩餘的加（jiā）工餘量為0.1mm，其右（yòu）側 Φ76mm 的小圓柱（zhù）麵剩餘的加工餘量為1.8mm。最後，用定製的（de）成型的銑刀進行插補加工圓（yuán）弧麵以及圓弧右側直徑為 Φ76mm 的小圓柱麵到尺寸。

圖2 Ⅰ位（wèi）置放大圖

（2）理論上，上述加（jiā）工方法能留給圓弧成型刀的最大工作寬度為7.7mm。經過計算，圓弧（hú）刀最細處的最大理論直徑為（wéi）4.3mm。考慮到機床重複定位精（jīng）度、刀具加工精（jīng）度、對刀誤差等（děng）各種誤差的（de）積累，以及進出刀方便和（hé）排屑等問題，實際（jì）加工中，采用成型刀具最細處直徑為3.5mm。成型刀（dāo）具直徑太細是用加（jiā）工中心加工的致命缺點，給後續加工（gōng）帶來了（le）很多問題，有些甚至無法克服。

2.2　第二個孔的工藝分析

第（dì）二個孔如圖3所示，其情況與第一（yī）個孔類似，主要是圓弧麵有些（xiē）差別。但是由於Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ位置都是成型麵，需（xū）要定製多把成型刀具（jù），下麵以第二個孔的Ⅲ位置（圖4）為例加以說明。

圖3 第（dì）二個孔示意圖

圖（tú）4 Ⅲ位置放大圖

為了減少刀具數量，同時避免更換刀具和（hé）插補銑削浪費時間，提（tí）高孔的同軸度等加工精（jīng）度。在加工（gōng）Ⅲ位置時，先用鑽頭鑽孔，再用定製複合鑽頭（圖5）一次性鑽（zuàn）削（xuē）到位。鑽削後，留有精加工餘（yú）量，再用複合（hé）鏜刀一（yī）次鏜削到（dào）尺寸（cùn）。

由於Ⅲ位置成（chéng）型麵的尺寸較（jiào）寬，約為10mm，複合鏜刀加工時，如果（guǒ）采用一個刀片進行加工，由於切削刃過寬（kuān）容易引起刀具（jù）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（biǎo）麵粗糙度和刀具使用壽命，設計（jì）成型刀時，可以（yǐ）考慮用兩個或兩個以上的刀（dāo）片組（zǔ）合切削來（lái）完成一個成型麵的（de）加工。文章采用一把（bǎ）複合鏜刀上（shàng）的兩個片刀來加工Ⅲ位置，如圖6和圖7所示。

圖5 定製複合鑽頭

圖6 複（fù）合鏜刀上的片刀1

圖7 複合鏜刀上的（de）片刀（dāo）2

3、改（gǎi）進後的加工方法及其優（yōu）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，從根本上解決了加工中心加工存在的的問（wèn）題。下（xià）麵主要討論這兩個孔的車床加（jiā）工工藝的（de）優缺點。

3.1　優（yōu）點

（1）工件表麵粗（cū）糙度很好保證。

（2）加工時間大幅減少，加工效率（lǜ）提高（gāo）。①車刀刀杆直徑（jìng）遠（yuǎn）大於加（jiā）工中心成型刀具的（de）刀杆直徑，具有更高的剛（gāng）性，車削進給量和吃刀量顯著提升。②從工藝角（jiǎo）度上來看，孔的車（chē）削（xuē）加工工藝也遠比加工中心插補工藝節省時間。加工中心插補時，工（gōng）件不動，刀具旋轉並以給定的進給速度走一個整圓的軌跡。而車削時，工件（jiàn）旋轉，刀具進給軌跡很短，因此大大減少加工時間。③刀具（jù）數量減（jiǎn）少，相（xiàng）應的減少（shǎo）了對刀（dāo）、調（diào）刀、停車（chē）換刀的時間。

（3）減少成型刀具的定製（zhì），刀具的購買和（hé）維護成本也大大（dà）降低。①第一個孔的圓弧位置還是采用非（fēi）標車刀進（jìn）行加工，其餘的複合鑽頭、複（fù）合鏜（táng）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（hǎo），選好加工參數，刀具的壽命很高，基本不用更換（huàn）。③成型（xíng）槽刀更換通用車（chē）刀刀片的成本（běn）也（yě）要比更換整個整形刀具低。

3.2　缺點

（1）需要設計專用（yòng）夾具，進行偏心裝夾，普通夾具無法滿足工藝要求。

（2）工件經過多次裝（zhuāng）夾，導致孔的位置精度不好保證（zhèng）。

4、車床偏心夾具設計、成（chéng）型（xíng）刀具設計

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確保兩個孔的加工（gōng）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完畢的 Φ57mm孔進（jìn）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（lái）壓緊，車床偏心（xīn）夾具裝配圖如圖8所示，通（tōng）過（guò）計算，偏心距為70±0.1mm。為了進一步提高定位精度，中心（xīn）孔定位（wèi）銷可（kě）采用脹套設（shè）計，夾具的磨損不會影響定位精度。也可以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（xīn）定位銷和孔的間隙（xì）不超過0.01mm，來提高定位精度。

由於工件是（shì）偏心裝夾，如果夾具的（de）總體（tǐ）結構不平衡（héng），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（xiǎng）工件的加工精度和（hé）表麵粗糙度，同（tóng）時也加劇機床主軸和軸承的磨損，存在安全隱（yǐn）患。因此（cǐ），為了提高工件的加工質量和機床的使用壽命，需（xū）要對（duì）夾具（jù）進行平衡。

1.壓（yā）板；2.工件；3.螺母；4.過渡盤（pán）；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（chē）床偏（piān）心夾具（jù）裝配圖

平（píng）衡的方法有兩種：設置平衡塊或加工（gōng）減重（chóng）孔。文章采（cǎi）用設置平衡塊的方法來進行夾具的平衡。計算平衡塊重量時，采用隔離法（fǎ）做近似估算。即把工（gōng）件及夾具上的各個元（yuán）件，隔離（lí）成幾個部分，相（xiàng）平衡的（de）各個部分忽（hū）略不計，對於不平衡的部分，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。為了彌補（bǔ）估算（suàn）法的不準確性，平衡（héng）塊上開有徑向槽（cáo），以便在加工中進行調整（zhěng），以（yǐ）達到更好的平衡效果。

4.2　刀具設計及加工

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

4.2.1　刀片及刀杆的（de）材料選擇

由於被（bèi）加工材料為鋁合金6061-T6，其切（qiē）削性能較（jiào）好，且加（jiā）工過程中有切削液散熱（rè），所以刀片的工作條件相對較好。成型（xíng）刀片的材（cái）料選（xuǎn）用常用的鎢係高（gāo）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，硬（yìng）度可以保持在 HRC66 ；切削溫度為（wéi）600℃時，硬度（dù）可保持在 HRC63。材料具有熱處理範圍較寬，淬火過程（chéng）中不易過熱，熱處理過程不易（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（chéng）熟等優點。完（wán）全滿足文章的鋁合金加工要求，且具有較長的使用（yòng）壽命。該鋼屬於常用的刀具鋼（gāng），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（jì）原理。單體成型刀的輪廓（kuò）形狀是（shì）切削刃在垂直（zhí）於其後刀麵的平麵上的投影的（de）形狀。

（2）刀具輪廓設計。根據（jù）刀具設計原理，垂直於後刀麵（miàn）的刀具輪廓與被加工零件輪廓完全一致。

（3）刀（dāo）具參數設計。為了（le）得到較準確的圓弧輪廓，刀具的前（qián）角選為0°。綜合（hé）考慮刀具強度和表麵粗糙度，後角選為10°。為了在有限的刀具工作空間內，盡可能提高刀具（jù）的強（qiáng）度，刀頭背麵選擇10°，如圖9所示。

圖9 刀具（jù）二維圖

4.2.3　刀具加工（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輪（lún）廓，以保證成型刀具輪廓的準確性。加工刀具時，根（gēn）據刀具後角（jiǎo）的度（dù）數10°，使用工（gōng）裝將（jiāng）刀具墊高 10°，再利用線切割按照圓弧的輪廓來切（qiē）割成型（xíng）刀具。這種加工方（fāng）法加工出的刀具的實際（jì）後角是變化的，隻有與線切割機床走刀方向相垂直的那段輪廓的後（hòu）角是10°，其（qí）他不垂直位置的刀具（jù）實際後角都大於10°。但是這不（bú）影響刀具的輪廓和（hé）加工精度。

5、提高孔加工質量（liàng）的工藝改進

（1）由於閥體內有很多孔，其中一些與（yǔ）閥芯孔（kǒng）相貫（guàn）通。為了解決（jué）孔相交處的毛刺問題，在工藝安（ān）排上，其他表麵粗糙度要求不（bú）高的（de）通氣孔（kǒng）先加工，重要的（de）閥芯孔均是最後加工，以防止毛刺方（fāng）向（xiàng）朝向閥芯孔內側。

（2）每完成一道工序，均采用（yòng）壓縮空氣（qì）吹去所有殘留、鋁屑等雜質。待所有（yǒu）加工工序完成後，用40MPa 的高（gāo）壓水槍進（jìn）行（háng）清洗，確保毛刺、殘屑全（quán）部清洗幹淨，以防在產品使用時產生不良影響（xiǎng）。

（3）所有孔都進行人工（gōng）去毛刺，特別在兩個閥（fá）芯孔去毛刺時，在用力以及工具延伸方麵，均朝（cháo）向（xiàng）閥芯孔外側，再次防止去毛刺邊角外翻到閥（fá）芯孔，影響其使用性能。

6、結論

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

（2）從根（gēn）本上解（jiě）決了加工（gōng）中心圓弧成型刀具太細而導（dǎo）致刀具折斷等各種問題，保證了產品的加工質量。

（3）自（zì）行設計並製造了高效且易（yì）於維護成型車刀，這種加工方法加（jiā）工的刀具輪廓形狀的準確性很高，簡單、實用、成（chéng）本低廉。

（4）減少了多把複合鑽頭（tóu）、複合鏜刀的使用，大大節省（shěng）了刀具費用（yòng）。

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