車床代替加工中心加工（gōng）複雜台階孔工藝
2024-2-21 來源： 中（zhōng）國鐵道科學研（yán）究院機車車輛研究所 作者（zhě）：王立（lì）超
1.引言
台階孔在（zài）機械加工中極為常見且用途廣泛。為達到（dào）不同的（de）使用目（mù）的，如安裝閥芯、彈簧卡圈（quān）或者做為閥口與其他零件配合等，台（tái）階孔各段的尺寸、精度和粗糙度要求也各不相同（tóng）。因（yīn）此，各（gè）段的加工方法不盡相（xiàng）同，常見的有車、鑽、銑、鉸、鏜、加（jiā）工中心插補加（jiā）工等。文（wén）章以一種城軌上使用的氣動控製閥體的生產為例，討論用車（chē）床代替加工中心加工多尺寸台階孔的方法。
2. 簡介（jiè）
氣動控製閥是通過（guò）壓縮空氣進行控製（zhì），因（yīn）此對閥體氣密性的要求很高，對閥體內部和外部零（líng）部件之（zhī）間的配合精度的要求（qiú）很高。其原（yuán）理是通過壓縮空氣壓力使閥芯在孔內來（lái）回移動，控製與閥芯孔（kǒng）貫通（tōng）的各管路（lù）的開（kāi）關。閥芯孔是閥體（tǐ）的（de）核心，台階尺寸比較多，孔口與（yǔ）其他零部件配合，均為圓弧麵。閥（fá）體的材料為鋁（lǚ）（6061-T6），有兩個閥芯孔。這兩個孔最初在加（jiā）工中心上加工，但是（shì）由於問題比較多，加工成本較高，經過技術分析和討論，將其改到車床上進（jìn）行加工。
3. 加工中（zhōng）心加工（gōng）的工藝分析
3.1 第一（yī）個孔的工藝分析
第一（yī）個孔如圖（tú） 1 所示，使用加工（gōng）中心加工時，這個孔的加工有 3 個有難度的位置，其中（zhōng）Ⅰ位置難度最大，Ⅱ位置、Ⅲ位置依次次之，下麵分別討論。
圖 1 第（dì）一個（gè）孔示意
（1）Ⅰ位置，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。用加工中心加工時，先用Φ6mm 的立銑刀插（chā）補加（jiā）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 小圓柱麵剩餘的加工餘量為 3.5mm。為（wéi）了給後（hòu）續成（chéng）型刀留出更大的空（kōng）間，還要插補（bǔ）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（cóng）外徑 Φ83mm 加工到 Φ79.6mm。此時，6mm寬的環槽被加寬到 7.7mm，圓（yuán）弧麵剩餘的加工（gōng）餘量為 0.1mm，其右側（cè） Φ76mm 的小圓柱麵剩餘的加工餘量（liàng）為 1.8mm。最後（hòu），用定製的成型的銑（xǐ）刀進行插（chā）補加工圓弧麵以及圓弧右側直徑為Φ76mm 的小圓柱麵到尺寸。
圖 2 Ⅰ位置放大圖
（2）理論上，上述加工方法能（néng）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（zuì）細處的最大理（lǐ）論（lùn）直徑為 4.3mm。考慮到機床重複（fù）定位（wèi）精度、刀具加工精度、對刀誤差等各種（zhǒng）誤差的積累，以及進出刀方便和排屑等問題，實際（jì）加工中（zhōng），采用成型刀具最細處直徑（jìng）為3.5mm。成型刀具直徑（jìng）太細是用加工中心加工的致命缺點，給後（hòu）續加工（gōng）帶來了很（hěn）多問（wèn）題，有些甚至（zhì）無法克服。
3.2 第（dì）二個孔的工藝分析
第二個孔如圖 3 所示，其情況與第一個孔類似，主要是圓弧麵有些差別。但是由於Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ位置都（dōu）是成型麵，需要定製多把成型刀具，下麵以第二（èr）個孔的（de）Ⅲ位置（圖 4）為例加以說明。
圖 3 第二個孔示意（yì）圖
圖 4 Ⅲ位置放大圖
為（wéi）了減少刀具數量，同（tóng）時避免更換刀具和插補（bǔ）銑削浪費時間，提高孔的同軸度等加工精度（dù）。在加工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）削到位。鑽削後，留有精加工餘（yú）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（dāo）片進行加工，由（yóu）於（yú）切（qiē）削刃（rèn）過寬容易引起刀具振動而產生振紋，影響表麵粗糙度。為了減少振動，提高表麵粗糙度和刀（dāo）具使用壽命，設計成型刀時，可以考慮（lǜ）用兩個或兩個（gè）以上的刀片組（zǔ）合（hé）切削來完成一個成型（xíng）麵的加工。文章采用一把複合鏜刀（dāo）上的兩（liǎng）個片（piàn）刀來加工Ⅲ位置，如圖 6 和圖 7 所示。
圖 5 定製複合（hé）鑽頭
圖 6 複合鏜刀上的片刀 1
圖 7 複合鏜刀上的（de）片刀 2
4. 改進後的加（jiā）工方法及其優缺點
文章對這兩個孔的加工方法進行了（le）改進，將（jiāng）其改到（dào）車床上進行加工，從根本上解決了加工中心加工（gōng）存在的（de）的問（wèn）題。下麵主（zhǔ）要討論這兩個孔的車床加（jiā）工工藝的優缺點。
4.1 優點
（1）工件表麵粗糙度很好保證。
（2）加工時間大幅減少，加工效率提（tí）高。①車刀刀杆直徑遠大於加（jiā）工中心成型刀具的刀杆直徑，具有（yǒu）更高的剛性，車削進給量和吃刀量顯著提升。②從工藝角度上（shàng）來（lái）看，孔的車削加工工藝也（yě）遠比加工中心插補工藝節（jiē）省時間。加（jiā）工（gōng）中心插補時，工件不動，刀具旋轉並以給定的（de）進給速度走一個整圓的軌跡。而車削時，工件旋轉，刀（dāo）具進給軌跡很短，因此大大減少加工時間。③刀具數量減少，相應的減少了對刀、調刀、停車換刀的時間。
（3）減少成型刀具的定製，刀具的購買和維護成（chéng）本也大大降低。①第一個孔（kǒng）的圓弧位置還是采用非標（biāo）車刀進行加工（gōng），其餘的複合鑽頭、複合鏜刀等非標刀具（jù）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要比更換整個整（zhěng）形刀具低（dī）。
4.2 缺點
（1）需要設計專用夾具，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（zhèng）。
5. 車床（chuáng）偏心夾具設計、成型刀具（jù）設計
5.1 車床偏心（xīn）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（chà）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（jiā）工中心工序中已加工完畢的Φ57mm 孔進（jìn）行中心定位，同（tóng）時使用閥體的外表麵做角向定（dìng）位限製，然後用壓板來壓緊，車床偏心夾具（jù）裝配圖如圖 8 所示，通過計算，偏心距為70±0.1mm。為了進一步（bù）提高定位精度，中心孔定位銷可采用脹套設計，夾具的（de）磨（mó）損不會影響定位精度。也可以對定位銷結構進行（háng）改進，改成中心（xīn）銷和套環（huán）兩（liǎng）部分組成，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（huán），以確保中（zhōng）心定位銷（xiāo）和孔的間隙（xì）不超過 0.01mm，來提高（gāo）定位精度。文章采用後（hòu）者。
1. 壓板 ;2. 工件 ;3. 螺母 ;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. 螺釘
圖 8 車床偏心夾具裝配圖（tú）
由於工件是偏心裝夾（jiá），如果夾具（jù）的總體結（jié）構不平衡，夾具隨著車床的主軸（zhóu）旋轉時會產（chǎn）生的離心力。工件在離心力的作用下將產生振動，影響工件的加（jiā）工精度和表麵粗糙度（dù），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使用壽命，需要對夾具進行平衡。
平衡的方法有（yǒu）兩種 : 設置平衡塊（kuài）或加（jiā）工減重孔。文章采用設置（zhì）平（píng）衡塊的方法來進行夾具的平衡。計算平（píng）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（jì），對於不平衡的部分，按力矩平衡原理確定平衡塊的（de）重量（liàng）。經過（guò）估算（suàn），配重塊的重量約為（wéi） 3.5kg。為了彌（mí）補估算法的不準確性，平衡塊上（shàng）開有徑向（xiàng）槽，以便在加工中進行調整，以達到更好的平衡效果。
5.2 刀具（jù）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（xià）麵進行說明。
5.2.1 刀（dāo）片及刀杆的材料選擇
由於（yú）被加工材料為鋁合金 6061-T6，其切削（xuē）性能較（jiào）好，且加（jiā）工過程中有切削液散熱，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（de）鎢係高（gāo）速鋼 W18Cr4V，其具（jù）有高硬度、紅硬性級高溫硬度。切削溫度為 540℃時，硬度可以保（bǎo）持（chí）在 HRC66 ; 切削溫度（dù）為 600℃時（shí），硬度可保持在 HRC63。材料具有熱處理範圍較寬，淬火過程中不易（yì）過熱，熱處理（lǐ）過程不易氧化脫碳，磨（mó）削加工性能較好，容易（yì）磨出鋒利的切削刃，加（jiā）工工（gōng）藝成熟等優點。完（wán）全滿足文章的鋁合金加工要求（qiú），且具有較（jiào）長的使（shǐ）用壽命。該鋼屬於常用的刀具鋼，價格低廉，有利於（yú）降低成本。
5.2.2 刀具設計
（1）成（chéng）型刀具（jù）設計原理。單體成型刀的輪廓形狀是（shì）切削刃在垂直於其後刀麵的平麵上的投影的形（xíng）狀。
（2）刀具輪廓設計。根據刀具設計原（yuán）理，垂直於後刀麵的刀具（jù）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，刀具的前角選為 0°。綜合（hé）考慮刀具強（qiáng）度和表麵粗糙度，後角選為 10°。為了在（zài）有限的刀具（jù）工作（zuò）空間內，盡可能提高刀具的強（qiáng）度，刀頭背麵選擇 10°，如圖（tú） 9 所示。
圖 9 刀具二維圖
5.2.3 刀具加工（gōng）
刀具的加工（gōng）思路是完全模擬刀具（jù）切削（xuē）時的工作（zuò）狀態，在線切割機床上加工刀（dāo）具（jù）輪廓，以保證成型刀具輪廓（kuò）的準確性。加工刀具時，根據刀具後（hòu）角（jiǎo）的（de）度（dù）數 10°，使用（yòng）工裝將刀具墊高 10°，再利用線切割按照圓弧的輪廓來（lái）切割成型刀具。這種加（jiā）工方法加工（gōng）出的刀具的實際後角是變化的，隻有與線切割機床走（zǒu）刀方向相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°。但是這不影響刀具的輪廓和加工精度。
6. 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（xiàng）貫通。為了解決孔相交（jiāo）處的毛刺問題，在工藝安排上，其他表麵粗糙度要求不高的通氣孔先（xiān）加工，重要的閥芯孔均是最後加工，以防止毛刺方向朝向閥芯孔內側。
（2）每完成一道工序，均采用壓縮空氣吹去（qù）所有殘留、鋁屑等雜質。待所有（yǒu）加工工序（xù）完成後，用 40MPa 的高（gāo）壓水槍進行清洗，確保（bǎo）毛刺、殘屑全部清洗幹淨，以防在產品使用（yòng）時產生不良影響。
（3）所有孔都（dōu）進行人工去毛刺，特別在兩個閥芯孔去毛刺時（shí），在用力以及工具延伸方麵，均朝向閥芯孔外側，再次防止去毛刺邊角外翻到（dào）閥芯（xīn）孔，影響其使用性能。
7. 結論
（1）通過改進兩個閥芯孔的工藝，整個閥體加工時間節省了近 50min，大大縮短了加工時間（jiān），提高（gāo）了生產效率。
（2）從根本上解（jiě）決了加工中心圓弧成型刀具太細而導致刀具折斷等各（gè）種問題，保證了產品的加工（gōng）質量。
（3）自行設計並製造了高效且易於（yú）維護成型車刀（dāo），這種加工方法（fǎ）加工的（de）刀（dāo）具輪廓形狀的準確（què）性（xìng）很高，簡單、實用、成本（běn）低廉。
（4）減少了多（duō）把複合鑽（zuàn）頭、複合鏜刀的使用，大大節省了刀具費用。
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