車床代替加工中心加工複雜台階孔工（gōng）藝
2024-2-21 來源（yuán）： 中國鐵（tiě）道科學研究院機車車輛研究（jiū）所 作者：王立超
1.引言
台（tái）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（zuò）為閥口與其他零件配合等，台階孔各段的尺寸、精度（dù）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、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（qì）動控製閥體的生（shēng）產為例，討論用車床代替加工中心加工多尺寸台階（jiē）孔的（de）方法。
2. 簡介
氣動控製（zhì）閥是通過壓縮空氣進行控製，因此對閥體氣（qì）密性的要求很（hěn）高，對閥（fá）體內部和外部（bù）零部件之（zhī）間的配合（hé）精度的要求很（hěn）高。其原理是通過壓縮空氣壓力使閥芯在孔內來回移動，控製與閥芯孔（kǒng）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（kǒng）口與其他零部件配合，均為圓弧麵。閥體的材料為鋁（6061-T6），有兩個閥芯（xīn）孔。這兩個孔（kǒng）最（zuì）初在加工中心上加工（gōng），但是由於問題比較多，加工成（chéng）本較高，經（jīng）過技術分析和討論，將其改到車床上進行加工。
3. 加工中心加工的工藝（yì）分析
3.1 第一個孔（kǒng）的（de）工藝分析
第一個孔如圖 1 所示（shì），使用加工中心加工時，這個孔的（de）加工有 3 個（gè）有難度的位置，其（qí）中Ⅰ位置難度（dù）最（zuì）大，Ⅱ位置（zhì）、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（zhì），放大（dà）圖如圖 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。用加工中心（xīn）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（liàng）為 3.5mm。為了給後續成型刀留出更大（dà）的空間（jiān），還要插補加工（gōng）圓弧右側的 Φ76mm小圓柱麵距離左端麵（miàn） 7.5mm 小台階的一部分，從外徑 Φ83mm 加工到 Φ79.6mm。此（cǐ）時（shí），6mm寬的環槽被加（jiā）寬（kuān）到 7.7mm，圓弧麵剩（shèng）餘的加工餘（yú）量為 0.1mm，其右側 Φ76mm 的小（xiǎo）圓柱麵（miàn）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弧（hú）麵以及圓弧右側直（zhí）徑為Φ76mm 的小圓柱麵到尺寸。
圖 2 Ⅰ位（wèi）置放（fàng）大圖（tú）
（2）理論上，上述加工方法能留給圓弧成型刀的最大工（gōng）作（zuò）寬度（dù）為 7.7mm。經過計算，圓弧刀最細處的最大理論直徑為 4.3mm。考慮（lǜ）到機床重複（fù）定位精（jīng）度、刀具加工精（jīng）度、對刀誤差等各種誤差的積（jī）累，以及進出刀方便和排屑等問題，實際加工（gōng）中，采用成型刀具最細處直徑為3.5mm。成型刀具直徑太細是用加（jiā）工中心（xīn）加工的致命缺（quē）點，給後續加工帶來了很多（duō）問題，有些甚至無法克服。
3.2 第二個孔的工藝（yì）分析
第二個孔如圖 3 所（suǒ）示（shì），其情況與第（dì）一個孔類似，主要是圓弧麵有些差（chà）別（bié）。但是由於Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ位置都是成型麵，需要定製多把成型刀具，下麵以第二個孔的Ⅲ位置（圖 4）為（wéi）例加以說明（míng）。
圖 3 第二個孔示（shì）意圖
圖 4 Ⅲ位置（zhì）放大圖
為了減少刀（dāo）具數量，同時避免（miǎn）更換（huàn）刀具和插補銑削浪費時間，提高孔的同（tóng）軸度等加工精度。在加工（gōng）Ⅲ位置時，先用鑽頭鑽孔，再用定製複合鑽（zuàn）頭（圖 5）一次性鑽削到位。鑽削後，留有（yǒu）精加工餘量，再用複合鏜刀一次鏜（táng）削到尺寸。由於Ⅲ位置（zhì）成型（xíng）麵的尺寸較寬，約（yuē）為 10mm，複合鏜（táng）刀加工時，如果采用（yòng）一個刀片進行加工，由於切削（xuē）刃過寬容易引起刀具振動而產生振紋，影響表麵粗糙度。為了減少振（zhèn）動，提高表麵（miàn）粗糙度和刀具使（shǐ）用壽（shòu）命（mìng），設計成型刀時，可以考慮用兩個或兩個以上的刀片組合切削來完成一個成（chéng）型麵的加工。文章采用一把複合鏜刀上（shàng）的兩個片刀來加工Ⅲ位置，如圖 6 和圖 7 所示（shì）。
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 2
4. 改進後的加工方法（fǎ）及（jí）其優缺點
文章對這兩個孔的加工方（fāng）法進行了改進，將其改到車床（chuáng）上進行加工，從根本上解（jiě）決了加工中心加工存在的的問題。下麵主要討論（lùn）這兩個孔的（de）車床加（jiā）工工藝的優缺點。
4.1 優點
（1）工件表麵粗糙度很好（hǎo）保證。
（2）加工時間大幅減少，加工效率提高。①車刀刀（dāo）杆直徑遠大於（yú）加（jiā）工中心成（chéng）型刀具的刀杆直（zhí）徑，具有更高的剛性，車削（xuē）進給量和（hé）吃刀量顯著提升。②從工藝角度上來（lái）看，孔的車削加工工藝也遠比加工中心插補工藝節省時間。加工中心插（chā）補時（shí），工（gōng）件（jiàn）不動，刀具旋轉並以給定的進給速度走一個整圓的軌（guǐ）跡（jì）。而車削時，工件旋（xuán）轉，刀具進給軌跡很短，因此大大減少加工時間。③刀具（jù）數量減少，相應的減少了對刀、調刀（dāo）、停車換刀的時間。
（3）減少成（chéng）型刀具（jù）的定製，刀具的購買和維護成本也大大降低。①第一（yī）個孔的圓弧位置還（hái）是采（cǎi）用非標車刀進行加工，其餘的複合（hé）鑽頭、複合鏜刀等非標刀具全部取消。②成（chéng）型（xíng）車刀的刀杆很粗且剛性很好，選好加工參數（shù），刀具的壽命很高，基本不（bú）用更換。③成型槽刀更換通用車刀刀片的成本也要（yào）比更換整個整形刀具低。
4.2 缺點
（1）需要設計專用夾（jiá）具，進行偏心裝夾，普通夾具無法滿足（zú）工藝要求。
（2）工（gōng）件經過多（duō）次裝夾，導致孔的位置精度不好保證。
5. 車床偏心夾具設計、成型刀具設計
5.1 車床偏心（xīn）夾（jiá）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精度。這（zhè）兩（liǎng）套工裝的定位（wèi）和夾緊方式類似，僅存在尺寸和公（gōng）差上的區（qū）別，故文章僅以第一孔為例來討論工（gōng）裝的設計過程（chéng）。
夾具采（cǎi）用前序加工中心工序中已（yǐ）加工完畢的Φ57mm 孔進（jìn）行中心定位，同時使用閥體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（shì），通過計算，偏心距為70±0.1mm。為（wéi）了進一步提高定（dìng）位精度，中心孔定位銷可采用脹套設計（jì），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（gǎi）成中心銷和套環兩部分組成，根據公差範（fàn）圍（wéi）將套（tào）環按0.01mm 分級做（zuò）成多個。在實際加工中，根據孔（kǒng）的實際尺寸配用套環，以確保中心定位銷和孔的間（jiān）隙不超過 0.01mm，來提高定位精度。文章采用後者。
1. 壓板 ;2. 工件 ;3. 螺（luó）母 ;4. 過渡盤 ;5.夾具 ;6.平衡塊 ;7. 雙頭螺柱 ;8.中心（xīn）孔定位銷 ;9.支撐板 ;10. 螺（luó）釘
圖 8 車床偏心夾具裝配圖
由於工件是偏心裝夾，如果夾具的總體結構不平衡，夾具隨著車床的主（zhǔ）軸旋轉（zhuǎn）時（shí）會產生的離心力。工（gōng）件（jiàn）在離心力的作用下將產生振動，影響工（gōng）件的加工精度和表麵粗糙度，同時也加劇機床主軸和（hé）軸承的磨損，存在安全隱患（huàn）。因此，為了提高工件的加工質量和（hé）機床（chuáng）的使用壽命，需要對夾具（jù）進行平衡。
平衡的方法有兩種 : 設（shè）置平（píng）衡（héng）塊或加工減重孔。文章（zhāng）采用設置平衡（héng）塊（kuài）的方（fāng）法來進行夾具的平衡（héng）。計算平衡塊重量時，采用隔離（lí）法做（zuò）近似估算。即把（bǎ）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（bú）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。為了彌補估算法的不準確性，平衡塊（kuài）上開有徑向槽，以便在（zài）加工（gōng）中進行調整，以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（le）降低刀具購買成本，文章設計並製造了一把單（dān）體式車刀，下麵進行說（shuō）明。
5.2.1 刀片及刀杆的（de）材料選擇
由於被加（jiā）工材料為鋁合金 6061-T6，其切削性能較好，且加（jiā）工過程中有切削液散熱，所（suǒ）以刀片的工作條件相對較好。成型刀片的材料選用（yòng）常用的鎢係（xì）高速鋼 W18Cr4V，其（qí）具有高硬度、紅硬性級高溫硬（yìng）度。切削溫度為 540℃時，硬度可以保持在 HRC66 ; 切（qiē）削溫度為（wéi） 600℃時，硬度可（kě）保（bǎo）持在 HRC63。材料具有熱處理範圍較（jiào）寬，淬火過程中（zhōng）不易過熱，熱處理過程不易氧（yǎng）化脫碳，磨削加工性能較好，容易磨出（chū）鋒利的（de）切削刃，加工工藝（yì）成熟等優點。完全滿足文章的鋁合金加工要求，且具（jù）有較長（zhǎng）的使用壽（shòu）命。該鋼屬於常用的刀具鋼，價格低廉（lián），有利於降低成本。
5.2.2 刀具設計
（1）成（chéng）型刀具設計原（yuán）理。單體（tǐ）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投影的形狀。
（2）刀具輪廓設計。根據刀（dāo）具設計原理，垂直於後刀麵的（de）刀具輪廓與被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（lún）廓，刀具的（de）前角選為（wéi） 0°。綜合考慮（lǜ）刀具強度和表（biǎo）麵粗糙度，後角選為 10°。為了（le）在有限的刀具工（gōng）作（zuò）空間內，盡可能提高（gāo）刀具的強度，刀頭背麵選擇 10°，如圖 9 所示。
圖 9 刀具二維圖
5.2.3 刀（dāo）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（chuáng）上加工（gōng）刀（dāo）具輪廓，以（yǐ）保證成型刀（dāo）具輪廓的準確性。加工刀具時，根據刀（dāo）具後（hòu）角的度數 10°，使用工裝（zhuāng）將刀具墊高 10°，再利用線切割按照圓弧的輪廓來切割成型刀具。這種加工方法加工出的刀具的（de）實際後角是變化的，隻有與線切割機床走刀方向相垂直（zhí）的那段輪廓的後角是 10°，其他不垂直位置的刀具實（shí）際後角都大於 10°。但（dàn）是這不影響刀具的輪廓和加工精度。
6. 提高孔加工質量的工藝改進（jìn）
（1）由（yóu）於閥體內有很多孔，其中一（yī）些與閥芯孔相貫通。為了解決孔相交處的毛刺問題（tí），在工藝安排上，其他表麵粗（cū）糙度要求不高的（de）通氣孔先加工（gōng），重要的閥芯孔均是最後加工，以防止毛刺方向（xiàng）朝向閥芯孔內側。
（2）每完成一道工序，均采用壓縮（suō）空氣吹（chuī）去所有殘留、鋁屑等雜質。待所有（yǒu）加工工（gōng）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，以防在產品使用時產生不良影響。
（3）所有孔都（dōu）進行人（rén）工去毛刺，特別在（zài）兩個閥芯孔去毛刺（cì）時，在用力以及工（gōng）具延伸方麵，均朝向閥芯孔外側，再次（cì）防止去毛刺邊角外翻到閥芯孔，影響其使用性能。
7. 結論
（1）通過改進（jìn）兩個閥芯孔的工藝，整個閥體加工時間（jiān）節省（shěng）了（le）近 50min，大大縮短了加工時間，提高了生產效率。
（2）從根本上解決了（le）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（liàng）。
（3）自行（háng）設計並製造了高效且易於維護成型車刀，這種加工（gōng）方法加工的刀具輪廓形狀（zhuàng）的準確性很高，簡單、實用、成本（běn）低廉。
（4）減少了多把複合鑽（zuàn）頭、複合（hé）鏜刀（dāo）的使（shǐ）用，大大節省了刀具費用（yòng）。
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