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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：中國鐵道科學研究（jiū）院機車車輛研究所作者：王立超

［摘要］分析（xī）加工中心加工城軌氣動控製閥複雜尺寸台階孔的弊端，對工藝進行改進，使用車床代替加工（gōng）中心進行加工。設計了（le）專用車床偏心夾具，設計並製造了圓弧（hú）成型（xíng）刀具，從根本上解決了加工中心加工過程中（zhōng）存（cún）在的問題，保證（zhèng）了（le）產品（pǐn）質（zhì）量，提高了生產效率，降低了生產成本。本工藝經過了實際生產的（de）驗（yàn）證，已應用（yòng）於批量生產中。

［關鍵詞］台階孔；成（chéng）型刀具；複合鑽（zuàn）頭；複合鏜刀；偏心夾（jiá）具；平衡塊

0、引（yǐn）言（yán）

台階孔在機械加工中極為常見且用（yòng）途廣泛。為達到不同的使用目的，如安裝閥（fá）芯、彈簧卡圈或者做為閥（fá）口與其他（tā）零件配合等，台階孔（kǒng）各段的尺寸、精度和粗糙度要求也各不相同。因此（cǐ），各（gè）段的加工方法不盡相同，常見的有車、鑽、銑、鉸、鏜、加（jiā）工中心插補加工等。文章以一種（zhǒng）城軌上使用的氣動（dòng）控製閥體的生產為（wéi）例，討論用車床代替加工中心加工多（duō）尺寸台階孔的方法。

1、簡介

氣動控製（zhì）閥是通過（guò）壓縮空氣進行（háng）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。其原理是通過壓縮空（kōng）氣壓力（lì）使閥芯在孔內來回移動，控製與閥芯孔（kǒng）貫通的各管路（lù）的開關。閥芯（xīn）孔是閥體的核心，台階尺寸比較多，孔口與其他零（líng）部件（jiàn）配合，均為圓弧麵。閥體的（de）材料為鋁（lǚ）（6061-T6），有兩個閥芯孔這兩個孔最初在加工中心上加（jiā）工，但是由於問題比較多，加工（gōng）成本較高，經過技術分析和討論，將其改（gǎi）到車床上進行加工。

2、加工中心加工的工藝分（fèn）析

2.1　第一個孔的工藝分析（xī）

第一個孔如圖1所示，使用（yòng）加工中（zhōng）心加工時，這個孔的加工有（yǒu）3個有難度的位置，其中Ⅰ位置難（nán）度最大，Ⅱ位置、Ⅲ位置依次次之，下麵分別討論。

圖1 第一（yī）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（biǎo）麵粗（cū）糙度為 Ra1.6μm、半徑（jìng）為 R1.7mm 的圓弧（hú）麵的加工。用加工中心加工時，先用（yòng） Φ6mm 的立銑刀插補加工，銑（xǐ）出 Φ83 ～ 95mm、寬 6mm 的槽。此時，圓弧麵頂點剩餘的加工餘（yú）量為1.8mm，其右側的 Φ76mm 小（xiǎo）圓柱麵剩餘的加工餘量為3.5mm。為了給後續成型刀留出更大的空間，還要插補加工圓弧右側的 Φ76mm 小圓柱（zhù）麵距離左（zuǒ）端麵 7.5mm 小台階的一部分，從（cóng）外徑 Φ83mm 加（jiā）工到Φ79.6mm。此時，6mm 寬的環槽被加寬到（dào） 7.7mm，圓弧麵剩（shèng）餘的（de）加工餘（yú）量為0.1mm，其右側 Φ76mm 的小圓柱麵剩餘的加工餘量為1.8mm。最（zuì）後，用定製的成型的銑刀進行插補加工圓（yuán）弧麵以及圓（yuán）弧右側直徑為 Φ76mm 的小圓柱麵到（dào）尺寸。

圖2 Ⅰ位置放大圖（tú）

（2）理論上，上述加工（gōng）方法（fǎ）能留給圓弧成型刀的最大工作寬度為7.7mm。經過計算，圓弧刀最細處（chù）的最大理論（lùn）直（zhí）徑為4.3mm。考慮到（dào）機床（chuáng）重複定位精（jīng）度、刀具加工精度、對刀誤差等各種誤差的積累，以及進出刀方便和排屑等問題，實際加工中，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工中心加工的致命缺點，給後續加工帶來了（le）很多問題，有些甚至無（wú）法克服。

2.2　第二個孔的工藝分析

第二個（gè）孔（kǒng）如圖3所示，其情況與（yǔ）第一個孔類似，主（zhǔ）要是圓弧麵有（yǒu）些差別。但是由於Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ位置都是成（chéng）型麵，需要定製多把成型（xíng）刀（dāo）具，下麵以第二個孔的Ⅲ位置（圖4）為例加以說（shuō）明。

圖3 第二個孔（kǒng）示（shì）意圖

圖4 Ⅲ位置（zhì）放大圖

為了減少刀（dāo）具數量，同時避免更換刀具和插補銑削浪（làng）費時間，提高孔的同軸度等加工精度（dù）。在加工Ⅲ位置時，先（xiān）用鑽頭（tóu）鑽孔，再用定製複合鑽頭（圖（tú）5）一次性（xìng）鑽（zuàn）削到位。鑽削後，留有精加工餘量，再用複合鏜刀一次鏜削到尺寸。

由於（yú）Ⅲ位置成型麵的尺寸較寬，約為10mm，複合（hé）鏜刀加工時，如果采用一（yī）個刀片進行加工，由於切削刃過寬容易引起刀具振動而產生振紋，影響表麵粗糙度。為了減少振動，提高表麵粗糙度和刀（dāo）具使（shǐ）用壽命，設計成（chéng）型刀時（shí），可（kě）以（yǐ）考慮用兩個或（huò）兩個（gè）以（yǐ）上（shàng）的刀（dāo）片組合切削來完成（chéng）一個成型麵的加工（gōng）。文章采用一把複合鏜刀上的兩個片刀來加工Ⅲ位置，如圖6和圖7所示。

圖5 定製複合鑽（zuàn）頭

圖6 複合鏜（táng）刀上（shàng）的片刀1

圖（tú）7 複合鏜刀上的片刀（dāo）2

3、改進後的加工方法及其優缺點（diǎn）

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

3.1　優點

（1）工件表麵粗糙度很好（hǎo）保證（zhèng）。

（2）加工時間大幅減少，加工效率提高。①車刀刀杆直徑遠大於加工中心成（chéng）型刀（dāo）具（jù）的（de）刀杆（gǎn）直徑，具有更高的剛性（xìng），車削進給量和吃刀量顯著提升。②從工藝角度上來看，孔的車削（xuē）加工工（gōng）藝（yì）也遠比加工中心插補工藝節省時間。加工中心插補時，工件不動，刀具旋轉並以給（gěi）定的進給速度走一個整圓的軌跡。而車削時，工件旋轉（zhuǎn），刀具進給軌跡很短，因此大大減少加工時間。③刀具數量減少，相應的減（jiǎn）少了對刀、調刀、停車換刀的時間。

（3）減少成型刀（dāo）具的定（dìng）製，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，其餘的複合鑽頭、複合鏜（táng）刀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，刀具的壽命很高，基本不用更換。③成型槽刀更換通用車刀刀片的成本也（yě）要比更換整個整（zhěng）形刀具低。

3.2　缺點

（1）需要設（shè）計專用夾具，進行偏心裝夾，普通夾具無法滿足工藝要求。

（2）工件經過多次裝夾，導致孔的位置精度不好保證。

4、車床偏（piān）心夾具（jù）設計、成型刀具設計

4.1　車（chē）床偏心夾具設計

文章設計了兩套專（zhuān）用偏心夾具工（gōng）裝（zhuāng）以確保兩個孔的加工精度（dù）。這兩套工裝的定位和夾緊方式類（lèi）似，僅存在尺寸和公差上的區別（bié），故文章（zhāng）僅以第（dì）一孔為例來討論工裝的設計過程。

夾（jiá）具采用前序加工中心工序中已加工（gōng）完畢的（de） Φ57mm孔進（jìn）行中心定位，同（tóng）時使用閥體（tǐ）的外表麵做角（jiǎo）向定位限（xiàn）製，然後用（yòng）壓板來（lái）壓緊，車床偏心（xīn）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（dìng）位精度，中心孔定（dìng）位銷可采用脹套設計，夾具的磨損不會影響定位精度。也可以（yǐ）對定（dìng）位銷結構進行改進，改成中心銷和（hé）套環兩（liǎng）部分組成（chéng），根據公差（chà）範（fàn）圍將（jiāng）套環按0.01mm 分（fèn）級做成多個。在實際加工（gōng）中，根據孔的實際尺寸配（pèi）用套環，以確保（bǎo）中（zhōng）心定位銷（xiāo）和孔（kǒng）的間隙不超過0.01mm，來（lái）提高定位精度。

由於工件是偏（piān）心裝夾，如果夾具（jù）的總體結構不平衡，夾具隨著車床的主軸旋轉時會產生（shēng）的離心力。工件在離心力的作用下將產生振動，影響工件（jiàn）的加工精度和表（biǎo）麵粗糙度，同時也加劇機床主軸和軸承的磨損，存在安全隱患。因此，為了提高工件的加工質量和機床的（de）使用壽命，需要對夾具進行平衡。

1.壓板；2.工件；3.螺母（mǔ）；4.過渡盤；5.夾具（jù）；6.平衡塊；7.雙頭螺柱；8.中（zhōng）心孔定位銷；9.支撐板；10.螺釘

圖8 車床偏心夾具裝配圖

平衡的方法（fǎ）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的（de）平衡。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平衡塊的重量。經過估算（suàn），配重塊的重量約為（wéi） 3.5kg。為了彌（mí）補估（gū）算法的不準確性，平衡塊上開有徑向（xiàng）槽，以便在加工中進行調整，以達（dá）到更好的平衡效果。

4.2　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（yī）把單體式車刀，下麵進行說明。

4.2.1　刀（dāo）片及刀杆的材料選擇（zé）

由於被加（jiā）工材（cái）料為鋁合金6061-T6，其切削性能較好，且（qiě）加工過（guò）程中有（yǒu）切（qiē）削液散熱，所以刀（dāo）片的工作條件相對較（jiào）好。成型刀片的材料選用（yòng）常用的鎢係高速鋼（gāng） W18Cr4V，其具有高硬度、紅硬性級高溫硬度。切削溫度為540℃時，硬度可以保持在 HRC66 ；切削溫度為600℃時，硬度可保（bǎo）持在 HRC63。材料具有熱處理範圍較寬，淬火過（guò）程中不易過熱，熱處理過程不易（yì）氧化（huà）脫碳（tàn），磨削（xuē）加工性能較好，容易磨出鋒利的切削刃，加工工藝成熟等優（yōu）點。完全滿足文章的鋁合金加工要求，且具（jù）有較長的使用壽命。該鋼屬（shǔ）於常用的刀（dāo）具鋼，價格低廉，有利（lì）於降低成（chéng）本。

4.2.2　刀具設計

（1）成型刀具設計原理。單體成型刀（dāo）的輪廓（kuò）形狀是切削刃在垂直於（yú）其後刀麵（miàn）的平麵上的投影的形狀。

（2）刀具輪（lún）廓設計。根據刀具設計原理，垂直於後刀麵的刀具輪廓與被（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（kuò），刀具的前角選為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（de）刀具工作空間內，盡可能提高刀具的強度（dù），刀頭背麵選擇10°，如圖（tú）9所示。

圖9 刀具二（èr）維圖

4.2.3　刀具加工

刀具的加工思路是完全模（mó）擬刀具切削（xuē）時的工作狀態，在線切割機床上加工刀具輪廓，以保證成型刀具輪（lún）廓的準確性。加工刀具時（shí），根據刀具後角的度數10°，使用工裝將刀具墊高 10°，再利用線切割按照圓弧的輪廓（kuò）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）走刀方向相垂直的那段輪廓（kuò）的後角是10°，其他不垂直位置的刀（dāo）具（jù）實際後角都大（dà）於（yú）10°。但是這不影響刀具的輪廓（kuò）和加工精度。

5、提（tí）高孔加工質量的工藝改進

（1）由於閥體內有很多（duō）孔，其中一些與閥芯（xīn）孔相貫通。為了解決（jué）孔相交處的毛刺問題，在工藝安排上，其他表麵粗糙（cāo）度要求（qiú）不高的通氣孔先加工，重要的閥芯孔均是最後加工，以防止毛刺（cì）方向朝向閥（fá）芯孔內側。

（2）每完（wán）成一道工序，均采用壓縮空氣吹去所有殘留、鋁屑等雜質。待（dài）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，以防在產品使用時產生（shēng）不良影響。

（3）所有孔都進（jìn）行人工去毛刺，特別在兩個閥芯孔去毛刺時，在用力以及（jí）工具延（yán）伸方麵，均朝（cháo）向閥芯孔外側，再次防（fáng）止去毛刺邊（biān）角外翻到閥芯孔（kǒng），影響其使用性能（néng）。

6、結論

（1）通過改進兩個閥（fá）芯孔的工藝，整個閥體加工時間節省了近50min，大大縮短了加工時間，提高（gāo）了生產效率。

（2）從根（gēn）本上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。

（3）自行設計並製造（zào）了高效且易於維護成型車刀，這種加工方法加工的（de）刀具輪廓形狀的準確性很高，簡單、實用、成本（běn）低廉。

（4）減少了多把複合鑽（zuàn）頭、複合鏜刀的使用，大大節省了（le）刀具費用。

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