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車（chē）床代替加工中心（xīn）加工（gōng）複雜台階孔（kǒng）工藝

2024-2-21 來源：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所作者：王立超

1.引（yǐn）言

台階孔在機械加（jiā）工中極為常見（jiàn）且用途廣泛。為達到不同的使用目的，如安（ān）裝閥芯、彈簧卡圈或者（zhě）做為閥口與其他零件配合等，台階孔各段的尺寸、精（jīng）度和粗糙（cāo）度要求也各不相同。因此，各段的加工方（fāng）法不（bú）盡相同，常見的有車、鑽、銑、鉸、鏜、加工中心插補加（jiā）工等。文章以一種城（chéng）軌上使用的氣動控（kòng）製（zhì）閥（fá）體的生產為例（lì），討論用車床代替加工中心（xīn）加工多尺寸台階孔的方法。

2. 簡介

氣動控製閥是通過壓縮空氣進行控製，因此對閥體氣密性的要求（qiú）很高，對閥（fá）體內部和外部零部件之間的配合（hé）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（kǒng）內來回移動，控製與閥芯孔貫通的各管路的（de）開關。閥芯孔是閥體的（de）核心，台（tái）階尺寸比較多，孔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（gè）孔最初在加工中心上（shàng）加工，但是由於問（wèn）題比較多，加工成本較高，經過技術分（fèn）析和討（tǎo）論，將其（qí）改到車床上進行加工。

3. 加工中心加（jiā）工的工（gōng）藝分析

3.1 第一個孔（kǒng）的工藝分析

第（dì）一個孔如圖 1 所示，使用加工中心加（jiā）工時，這個孔的加工有 3 個（gè）有難（nán）度（dù）的位置，其中Ⅰ位置難度（dù）最大（dà），Ⅱ位（wèi）置、Ⅲ位置依次次之，下麵（miàn）分別討論。

圖（tú） 1 第一（yī）個孔示意

（1）Ⅰ位置，放大圖如圖 2 所示。其主要難點在於表麵粗糙（cāo）度為 Ra1.6μm、半徑為（wéi） R1.7mm的圓弧麵（miàn）的加工。用加工中心加工（gōng）時，先用（yòng）Φ6mm 的立銑刀插補加工，銑出 Φ83~95mm、寬 6mm 的槽。此（cǐ）時，圓弧麵（miàn）頂點剩（shèng）餘的加工餘量為 1.8mm，其右側的 Φ76mm 小圓柱麵（miàn）剩餘的加工餘量為 3.5mm。為了給後續成（chéng）型刀留出更大（dà）的空間，還要插（chā）補加（jiā）工圓（yuán）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（dào） Φ79.6mm。此時，6mm寬的環槽被加寬到 7.7mm，圓弧麵剩（shèng）餘的加工餘量為 0.1mm，其右側（cè） Φ76mm 的小圓柱麵剩餘的加工（gōng）餘量為 1.8mm。最後，用定（dìng）製的成型的銑刀進行插補加工圓弧麵以及（jí）圓弧右側直徑（jìng）為Φ76mm 的小圓柱麵到（dào）尺寸。

圖 2 Ⅰ位（wèi）置放大圖

（2）理論上，上述加工方法能留（liú）給圓弧成型刀的最大工作寬度為 7.7mm。經（jīng）過計算（suàn），圓弧刀最細處的最大理論直徑為 4.3mm。考慮到機床重複（fù）定位精度（dù）、刀具加工精度、對刀誤差等各種誤差的積累，以及進出刀方（fāng）便和（hé）排屑等問題，實際加工（gōng）中，采（cǎi）用成（chéng）型刀具最（zuì）細處直徑為（wéi）3.5mm。成型刀具直徑太細是用加工中心（xīn）加工的（de）致（zhì）命缺點，給後續加工帶來了很多問題，有些甚至無法克服。

3.2 第二個孔的工藝分析

第二（èr）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（yú）Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ位（wèi）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（wèi）置（圖 4）為例加以說明。

圖 3 第（dì）二個孔示意圖

圖 4 Ⅲ位置放大圖

為了（le）減少刀具數（shù）量，同時避免更換刀具和插補銑削浪費時間，提高孔的同軸度（dù）等加工精度。在加工Ⅲ位置時，先用鑽頭鑽孔，再用定製複合鑽頭（圖 5）一次性鑽削到位。鑽削後，留有精加工餘量，再用複合（hé）鏜刀一（yī）次鏜削到（dào）尺寸。由於Ⅲ位（wèi）置成型麵的尺（chǐ）寸較寬，約為 10mm，複合（hé）鏜刀加工時，如果（guǒ）采用一個刀片進行加（jiā）工，由於切削刃過寬（kuān）容易引起刀具振動而產生振紋，影（yǐng）響表（biǎo）麵粗糙度。為（wéi）了減少振動，提高表（biǎo）麵粗糙度和刀具使用壽命，設計成型刀時，可以考慮用兩個或（huò）兩個以上的刀片組合切削來完成一個成型麵（miàn）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（wèi）置，如圖 6 和（hé）圖 7 所示。

圖 5 定製複合鑽（zuàn）頭

圖 6 複（fù）合鏜刀上的片刀 1

圖（tú） 7 複合鏜刀上的片刀 2

4. 改進後的加工方法及其優缺點（diǎn）

文章對這兩個（gè）孔的（de）加工方法進行了（le）改進，將其改到車床（chuáng）上進行加工，從根本上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工工藝（yì）的優（yōu）缺點。

4.1 優點

（1）工（gōng）件表麵粗糙度很（hěn）好保證。

（2）加（jiā）工時間大幅減少，加工效（xiào）率提高。①車刀刀杆直徑（jìng）遠大於加工中心成型刀具的刀杆（gǎn）直徑，具有（yǒu）更高的剛性，車削進給（gěi）量和吃刀量顯著（zhe）提升。②從工藝角度上（shàng）來看，孔的車削加工工藝也遠比加工（gōng）中心插補工藝節省時間。加工中心（xīn）插補時，工件不動（dòng），刀具（jù）旋轉並以給定的進給（gěi）速度走一個整圓的軌跡。而車削時，工（gōng）件旋轉，刀具（jù）進給軌跡很短，因此大（dà）大減少加工時間。③刀具數量減少，相應的（de）減少了對刀、調刀、停車換刀的時間。

（3）減（jiǎn）少成型（xíng）刀具的定製，刀具的購買和維護成本也大大降低。①第一個孔的圓弧位（wèi）置還是采用非標車刀進（jìn）行加工，其餘（yú）的複合鑽頭、複合鏜刀等非標刀具全部取消。②成型車刀的刀杆很粗且（qiě）剛性很好，選好加工參數，刀具的（de）壽命很高，基本不用（yòng）更換。③成型槽刀更（gèng）換通（tōng）用車刀（dāo）刀片的成本也要比更（gèng）換整個整形刀具低。

4.2 缺點

（1）需要設計專用夾具，進行偏心裝夾（jiá），普通夾具無法滿足工藝要求。

（2）工件（jiàn）經過多次裝夾，導致孔的位置精（jīng）度不好保證。

5. 車床偏心夾具設計、成（chéng）型刀（dāo）具設計

5.1 車床偏（piān）心夾具設計

文章設計（jì）了兩套專用偏心夾具工裝以確保（bǎo）兩個孔的加工精度。這兩套工裝的（de）定位和夾緊方式類似，僅存在尺寸和公差上（shàng）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（yòng）前序加工中心工序中（zhōng）已加工完畢的Φ57mm 孔進行中心定位，同時使用（yòng）閥體的（de）外表麵做角向定位限製，然後用（yòng）壓板（bǎn）來壓緊，車床偏心夾具裝配（pèi）圖如圖 8 所示，通過計算，偏心距為70±0.1mm。為了進（jìn）一步提高定（dìng）位精度，中心孔定位銷可采用脹套設計，夾具的磨損不會影響定位精（jīng）度。也可（kě）以對定位銷結構進行改進，改成中心銷和套環兩部分組成，根（gēn）據公差範圍將套環按0.01mm 分級做成多個。在（zài）實際加工中，根據孔的實際尺寸配用套環，以確保中（zhōng）心定位銷和孔的間（jiān）隙（xì）不超過 0.01mm，來提高定位精度。文章采用後者。

1. 壓（yā）板 ;2. 工件（jiàn） ;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（dìng）位銷（xiāo） ;9.支撐板 ;10. 螺釘

圖 8 車床偏心夾具裝配圖

由於工件是偏心裝夾（jiá），如果夾具的總體結構（gòu）不平衡，夾具隨著車（chē）床的主軸旋轉時會產生的離心力。工件在離心（xīn）力的（de）作用下將產生振動，影響工件的加工精度和表麵粗糙（cāo）度，同時也（yě）加劇機床主軸和軸承（chéng）的磨損，存（cún）在安全隱患。因（yīn）此，為了提高工件的加工質量（liàng）和機床的使用壽命（mìng），需要對夾（jiá）具進行平衡。

平衡的方法有兩種 : 設置平衡塊或（huò）加工減重孔（kǒng）。文章采用設置平衡塊的方法來進行夾具的平（píng）衡。計算平衡塊重量時，采（cǎi）用隔離法做近似（sì）估算。即把工件及夾具上的各個元件，隔（gé）離成幾個部分，相平衡的各個部分忽（hū）略不計，對於不平衡的（de）部分，按力（lì）矩平衡原理確定平衡塊的重量。經過估算，配重塊的（de）重量約為 3.5kg。為了彌補估算法的不準確性，平衡塊上開有徑向槽，以便在加（jiā）工中（zhōng）進行調整，以達（dá）到更好的平衡效果（guǒ）。

5.2 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（zhì）造了一（yī）把單體式車刀，下麵進行說明。

5.2.1 刀片及刀杆（gǎn）的材料選擇

由於（yú）被加工材料為鋁合金 6061-T6，其切削性能（néng）較好，且加工（gōng）過程（chéng）中有切削（xuē）液散熱，所以刀片的工作條件相對（duì）較好。成型刀片的材料選用常用的鎢係高速鋼 W18Cr4V，其具（jù）有高硬度、紅硬性級高溫硬度。切削溫（wēn）度（dù）為 540℃時，硬度可以保（bǎo）持在 HRC66 ; 切削溫度為 600℃時，硬度可保持在 HRC63。材料具有熱（rè）處理範（fàn）圍較寬，淬火過程中不易過熱，熱處理過程不易氧化脫（tuō）碳，磨削加工性能較好，容（róng）易磨出鋒（fēng）利的切削（xuē）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，且具有較長的使用（yòng）壽命。該（gāi）鋼屬於常用的刀具鋼（gāng），價格低廉，有利於降低成本。

5.2.2 刀具設計

（1）成型刀具設計（jì）原理。單體成型刀的輪廓形狀是切削刃在垂直於其後刀麵的平麵（miàn）上的投影的（de）形（xíng）狀。

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

（3）刀具參數設計。為了（le）得（dé）到較準確的圓弧輪廓，刀（dāo）具的前角選為 0°。綜合考慮刀具強度和表麵粗糙（cāo）度，後（hòu）角選為 10°。為（wéi）了（le）在有限（xiàn）的刀（dāo）具工作空間內，盡可能提高刀（dāo）具的（de）強度，刀頭背麵選（xuǎn）擇 10°，如圖 9 所示。

圖 9 刀具二維圖

5.2.3 刀具加工

刀具的加工思路是完全模擬刀具切削時的工作狀態，在線（xiàn）切割機床上加工刀具輪廓，以保證成型刀具輪廓（kuò）的準確性。加工刀具時，根據刀具後角的度數 10°，使用工裝將刀具墊高 10°，再利用線切（qiē）割（gē）按（àn）照圓弧的輪廓（kuò）來切割成型刀具。這種加工（gōng）方法加工出的刀具的實際後角是（shì）變化的，隻有與線切割機床（chuáng）走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（jù）的輪廓（kuò）和加工精度。

6. 提高孔加工質量的工藝（yì）改進

（1）由於（yú）閥體（tǐ）內（nèi）有很多孔，其中（zhōng）一些與（yǔ）閥芯孔相貫通。為了解決孔相交處的毛（máo）刺問題，在工藝安排上，其（qí）他表麵粗糙度（dù）要求不（bú）高的通氣孔先加工，重（chóng）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（měi）完成一道工序，均（jun1）采用壓縮（suō）空氣吹（chuī）去所有殘留、鋁屑等雜質。待所有加工工序完成後，用 40MPa 的（de）高壓水槍進行清洗，確保毛刺、殘屑全部清洗幹淨，以（yǐ）防在產品使用時產（chǎn）生不良影響（xiǎng）。

（3）所有孔都進行人（rén）工去毛刺，特別在兩個（gè）閥芯孔去毛刺時，在（zài）用（yòng）力以及工（gōng）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孔，影響其使用性能。

7. 結論

（1）通過改進兩個閥芯孔的（de）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），提高了生產效率。

（2）從根本上解決了加工中（zhōng）心圓弧成型刀（dāo）具太細而導致刀具折斷等各種（zhǒng）問題（tí），保證了產品的加工質量。

（3）自行設計（jì）並製造了高效且（qiě）易於維護成（chéng）型車刀，這種加工方法加工的刀具輪廓形狀的準確性很高，簡單、實用、成本低廉。

（4）減少（shǎo）了多把複合鑽頭、複合鏜刀的使用，大大（dà）節省了刀具費用。

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