車床代替加工中心加工（gōng）複雜台階孔工藝
2024-10-25 來源：中（zhōng）國（guó）鐵道科學研（yán）究院機車車輛（liàng）研究所 作者：王（wáng）立超
［摘 要］分析（xī）加工中心（xīn）加工（gōng）城軌氣動控製（zhì）閥複雜尺寸台階孔的弊端，對工藝進行改（gǎi）進，使用車床代替加工中心進行加工。設計了專用車床（chuáng）偏心夾具，設計並製（zhì）造了圓弧成型刀具，從根本上解決了加工中心加工過程中存在的問題，保證了產品質量，提高了生產效率，降低了生產成本（běn）。本工藝經過了實際生產的驗證，已應用於（yú）批量（liàng）生產中。
［關鍵（jiàn）詞］台階孔 ；成型（xíng）刀具 ；複合鑽頭 ；複合鏜刀 ；偏心夾具 ；平衡（héng）塊
0、引言
台階孔在機械加（jiā）工中極為（wéi）常（cháng）見且用途廣（guǎng）泛。為達（dá）到不同的使用目的，如安裝閥芯、彈簧卡圈或者做為閥口與其他零件配合等，台階孔各段的尺寸、精度和粗糙度要求也各不相同。因此，各段（duàn）的加工方法不盡相同，常見的有車、鑽、銑、鉸、鏜、加工中心插補加工等。文章以一種城軌上使用的氣動控製閥體的生（shēng）產為例，討論用車床代替加工中心加（jiā）工多尺寸台階孔的方法。
1、簡介
氣動控製閥是通（tōng）過壓縮空氣進行控（kòng）製，因此對（duì）閥體氣密性的要求很高，對閥體內（nèi）部和（hé）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氣壓（yā）力使閥（fá）芯在孔內來回（huí）移動，控製與閥芯孔貫通（tōng）的各管路的（de）開關（guān）。閥（fá）芯孔是閥體的核心（xīn），台階尺寸比（bǐ）較多，孔口與其他（tā）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（zhè）兩個孔最初在加（jiā）工中心上加工，但是由於問題比較多，加工成本較高，經過技術分析（xī）和討論，將（jiāng）其改到（dào）車床上進行加工。
2、加工中心加工的工藝分析
2.1 第（dì）一個孔的工（gōng）藝分析
第一（yī）個孔如圖（tú）1所示，使（shǐ）用加（jiā）工中心加工時，這個孔的加工有3個有難度的位置，其中Ⅰ位（wèi）置難度最大，Ⅱ位置、Ⅲ位置依次次之，下麵分別討論（lùn）。
圖1 第一個孔示意
（1）Ⅰ位置，放大圖如圖2所（suǒ）示。其（qí）主要難點在於（yú）表麵粗（cū）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），先用 Φ6mm 的立銑刀（dāo）插補加工，銑出 Φ83 ～ 95mm、寬（kuān） 6mm 的槽。此時，圓弧麵頂點（diǎn）剩（shèng）餘的加工餘量為1.8mm，其右側的 Φ76mm 小圓柱麵剩餘的加工餘（yú）量為3.5mm。為了給後續成型刀留出更大的（de）空（kōng）間，還要插（chā）補加工圓弧右側的 Φ76mm 小（xiǎo）圓柱麵距離左端麵 7.5mm 小台階的（de）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（yuán）弧麵剩餘（yú）的加工餘量（liàng）為0.1mm，其右（yòu）側 Φ76mm 的小圓柱麵剩餘的加工餘量為1.8mm。最（zuì）後，用（yòng）定製的（de）成型的銑（xǐ）刀進行插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（zhì）放大圖
（2）理論上，上述加工方法能（néng）留給圓弧成型刀的最（zuì）大工（gōng）作寬度為7.7mm。經過計算，圓弧刀最細處（chù）的最大（dà）理論直徑（jìng）為4.3mm。考慮到機床重複定位精度、刀（dāo）具加（jiā）工精度、對刀誤（wù）差等各種誤差的積累，以及進出刀方便和排屑等問題，實際（jì）加工中，采用成型刀具最細處直徑為3.5mm。成（chéng）型刀具（jù）直徑太細是用加工中心加工的致命缺點，給後（hòu）續加工帶來了很多（duō）問題，有些（xiē）甚至無法克服。
2.2 第二個孔（kǒng）的工藝分析
第二個（gè）孔如圖3所示，其（qí）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位置都是成型（xíng）麵，需要定製多把成型刀具，下麵以第二個孔的Ⅲ位置（圖4）為例加以說（shuō）明。
圖3 第二個孔示意圖
圖4 Ⅲ位置放大圖
為了減少刀（dāo）具數（shù）量（liàng），同時避免更換刀具和插補銑削浪費時（shí）間，提高孔的同軸度等加工精（jīng）度。在加工Ⅲ位置時，先（xiān）用鑽頭鑽孔（kǒng），再（zài）用定製複合鑽頭（圖5）一次性鑽削到位。鑽削（xuē）後，留有精加（jiā）工（gōng）餘量，再（zài）用複（fù）合鏜刀一次鏜削到尺寸。
由於Ⅲ位置成型麵的尺（chǐ）寸較寬，約為10mm，複合鏜刀加（jiā）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（cū）糙度。為了減少振動，提高表麵粗糙度和刀具使（shǐ）用（yòng）壽命，設計成型刀時，可以考（kǎo）慮用兩個或兩個以上的刀片組（zǔ）合切削來完成一個（gè）成型麵的加工。文章采用一把複合鏜刀上的（de）兩個片刀來（lái）加工Ⅲ位置，如圖6和圖7所示。
圖5 定（dìng）製複合鑽頭（tóu）
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（hòu）的加工方法及其優缺點
文章對（duì）這兩個孔的加工方法進行了改（gǎi）進，將（jiāng）其改到車床（chuáng）上進行加工，從根本上解決（jué）了加工中心加工存在（zài）的的（de）問題。下麵主要討論這兩（liǎng）個孔的車床加工工藝的優缺點。
3.1 優點
（1）工件表麵粗糙（cāo）度（dù）很好保證。
（2）加工時間大（dà）幅減（jiǎn）少，加工效率提（tí）高。①車刀刀（dāo）杆（gǎn）直徑（jìng）遠大於加工中心成型刀具的刀杆直徑，具有更（gèng）高的剛性，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（bǔ）時，工件不（bú）動，刀具旋轉（zhuǎn）並以給定的進給速度走一個整圓（yuán）的軌跡。而車（chē）削時，工件旋轉，刀具進給軌跡很短，因此（cǐ）大大減少加（jiā）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（xíng）刀具的定製，刀具的購買和維護成（chéng）本也大大降低。①第一個孔的圓弧位（wèi）置還是采用非標車刀進行加工，其餘的複合鑽（zuàn）頭、複（fù）合鏜刀（dāo）等非標刀（dāo）具全部取（qǔ）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（bǐ）更換整個整形刀具低。
3.2 缺點
（1）需要（yào）設計（jì）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、車床偏心夾具設計、成型刀具設計
4.1 車床偏心夾具設計（jì）
文章設計（jì）了兩套專用偏心夾具（jù）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，僅存在尺寸和公差上的區（qū）別，故文（wén）章僅以第一孔（kǒng）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（zhōng）已加工完畢的 Φ57mm孔進行中心定位，同（tóng）時使用閥（fá）體的外表麵做角向（xiàng）定位限製，然後用壓板來（lái）壓緊（jǐn），車床偏心夾具裝配圖如圖8所示，通過計算，偏心距為70±0.1mm。為了進一步（bù）提高定位精度，中心孔定位銷可（kě）采用脹套（tào）設計，夾具的磨損不會影響定位精度。也可以（yǐ）對定位銷結構進行改進，改成中心（xīn）銷和套環兩部分組成，根據公（gōng）差（chà）範圍將套環按0.01mm 分級做成多個。在（zài）實際加（jiā）工中（zhōng），根據孔的實際尺（chǐ）寸配用套環，以確保中心定位銷和孔的間隙不超過0.01mm，來提高定位精度。
由於工件是偏心裝夾，如果夾具（jù）的總體結構不平衡，夾具隨著車床的主軸旋（xuán）轉（zhuǎn）時會產生的離心力。工件在離心力的作用下將產生振動，影響工件的加（jiā）工（gōng）精度和表麵粗糙度，同時也加劇（jù）機床主軸和軸承的磨損，存在安全隱患。因（yīn）此，為了提高工件的加（jiā）工質（zhì）量和機（jī）床的使用壽命，需（xū）要對夾具進行平衡。
1.壓板；2.工件；3.螺母；4.過渡盤；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（tú）8 車床偏（piān）心夾具裝配圖
平衡的方法有兩種 ：設置平衡塊或加工減（jiǎn）重孔。文章采用設置平（píng）衡（héng）塊（kuài）的方法來進行夾具的平（píng）衡。計算（suàn）平衡塊重量時，采用隔離法做近似估算。即（jí）把工件及夾具上的（de）各個元件，隔離成幾個部分，相（xiàng）平衡的各個部分忽略不計，對（duì）於不平衡（héng）的部分，按（àn）力矩平衡原理確定平衡塊的重量。經（jīng）過估算，配重塊的重量約為 3.5kg。為了彌補估（gū）算法的不（bú）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（dāo）具設計及加工
由於批量不大，為了降（jiàng）低刀具購買成本，文章設計（jì）並製造了一把（bǎ）單體（tǐ）式車刀，下麵進行說明。
4.2.1 刀片及刀杆的材料選擇
由於被加工材料為鋁合金6061-T6，其切削性能較好，且加工過程中（zhōng）有切削液散熱，所以刀片的工作條件相（xiàng）對較好。成型刀片的材料選用常用的鎢係高速鋼 W18Cr4V，其（qí）具有高硬度、紅硬性級高溫硬度。切（qiē）削溫度（dù）為540℃時（shí），硬（yìng）度可以保持在（zài） HRC66 ；切削溫度為600℃時，硬度可保持在（zài） HRC63。材料具有熱處理範（fàn）圍較寬，淬火過程中不易過（guò）熱，熱處理過程不易氧化脫（tuō）碳，磨削加工性能較（jiào）好，容（róng）易磨（mó）出鋒利的切削刃，加工工藝成熟等優點。完全滿足文章（zhāng）的鋁合金（jīn）加工要（yào）求，且具有較長的使用壽命。該鋼屬於常用的刀具鋼，價格低廉，有利於降低成本。
4.2.2 刀具設計
（1）成型刀具（jù）設（shè）計原理。單（dān）體（tǐ）成型刀的輪廓（kuò）形狀是切削刃在垂直於其後刀麵的平麵上（shàng）的投影的形狀。
（2）刀具輪廓設計。根據刀具設計原理，垂直於後刀麵的刀具輪廓與被加工零件輪（lún）廓完全（quán）一致。
（3）刀具參數設計。為了得（dé）到較準確的圓弧（hú）輪廓，刀具的前角選為0°。綜合（hé）考慮刀具強（qiáng）度和表麵（miàn）粗（cū）糙度（dù），後角選為10°。為了（le）在有（yǒu）限的刀具工作空間內，盡可能提高刀具的強度，刀頭背麵選擇10°，如圖9所示。
圖9 刀具二維圖
4.2.3 刀具加工
刀具的加工思路是完全模擬刀具切削（xuē）時的工作狀態，在線切割（gē）機床上加工刀具輪廓，以保證成型刀具輪廓的準確性。加工刀具時，根據刀具後角的度數10°，使用工裝將（jiāng）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（fǎ）加工出（chū）的刀具的實際後角是變（biàn）化的，隻有（yǒu）與線（xiàn）切割（gē）機床走刀方向相垂直的那段輪廓的（de）後角是10°，其他不垂直位置的刀具（jù）實際後角都大於10°。但是這不影響刀具的輪廓和加工精度。
5、提高孔加工（gōng）質量的工藝改進
（1）由於閥體內有很多孔（kǒng），其中一些與閥芯孔相貫通。為了解決孔相交（jiāo）處的毛刺問題，在工藝安（ān）排上，其他表麵粗糙度要求不高的通氣孔（kǒng）先加工，重要的閥芯孔均（jun1）是（shì）最後加（jiā）工，以（yǐ）防止毛刺方向朝向（xiàng）閥芯孔內側。
（2）每完成一道工序，均采（cǎi）用壓縮空氣吹去所有殘留、鋁屑等雜質。待所（suǒ）有加工工（gōng）序完成後，用40MPa 的高壓（yā）水槍進行清洗，確（què）保毛（máo）刺（cì）、殘屑全部清洗幹淨，以防在產品使用時產生不良影響。
（3）所有孔都進行（háng）人工去毛刺，特別在兩個閥芯孔（kǒng）去毛（máo）刺時，在用力以及（jí）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閥芯（xīn）孔，影響（xiǎng）其使用性（xìng）能。
6、結論
（1）通過改進（jìn）兩個（gè）閥芯孔的工藝，整個閥體加工時間節省了近50min，大大縮短了（le）加工時間，提高了生產效率。
（2）從根本上解決了（le）加工（gōng）中心圓弧成型刀具太細而導致刀具折斷（duàn）等各種問題，保證了產品的加工質量。
（3）自行設計並（bìng）製造了（le）高效且易於維護成（chéng）型車刀，這種加（jiā）工方法加工的刀具輪廓形狀的準確性很高，簡單（dān）、實用、成本低廉。
（4）減少了（le）多把複合鑽頭、複（fù）合鏜刀的使用，大大節（jiē）省了刀具費用。
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