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搖杆零件的數控（kòng）銑削工藝分析及其夾具設計

2023-10-27 來源：東莞市機電工（gōng）程學校作者：鄒萍

摘要：隨著數（shù）控銑床加工工藝的發（fā）展，軸類零件的加工越（yuè）來越（yuè）普遍。根據整體式搖杆的結構特點，分析其（qí）存在的主要加工難點，主（zhǔ）要包括薄壁部分零件（jiàn）的（de）加工工藝及（jí）尺寸精度控製問題、軸的裝夾及（jí）定（dìng）位問題以及軸在（zài）加工過程中因振（zhèn）動引起的尺寸偏差問（wèn）題。通過合理設計加工工藝，可以解決薄壁零件的尺寸精度問題。通過

設計專用夾具，能夠解決搖杆的裝夾及定位問題。通過誤差補償控製，可在一定程度上修正細長軸因振動引起的尺寸偏差問（wèn）題。

關鍵詞：搖杆零件；數控銑床（chuáng）；專用夾具

軸類零件在銑（xǐ）床加工中（zhōng）的一個主要難點就是裝夾問題。為了提高（gāo）定位精度，可以采用 V 形塊進行（háng）定位，並通過壓板壓緊來限定所有的（de）自由度。另外，V 形塊具（jù）有較大的接觸麵積，降低了（le）輪軸單位麵積表麵的壓

力，減小了因夾緊而產生的變形。

1、搖杆零件圖紙結構分析

1.1　搖杆零件圖紙

某工廠需要加（jiā）工小批量的搖（yáo）杆，零件材料為（wéi）鋁。搖杆零件圖，如圖 1 所示。由於（yú）數量有限，使（shǐ）用模具（jù）生產成（chéng）本較高，采用機械加工的（de）方式。在加工過程中，如何合理設計加工工藝，在保證尺寸精度的（de）同時提（tí）高生（shēng）產效率，是需要著重分析和解決的問題。

圖 1　搖杆零件圖（單位：mm）

1.2　加工難點分析

由圖 1 可（kě）知（zhī），零件主要由兩個偏心軸和一根連接杆組成。軸 Φ12-0016（上角）-0.034（下角）mm和軸 Φ10 mm±0.05 mm 的高度均（jun1）為 50 mm，都屬於細長軸。加工過程需要合理設置加工工藝，同時（shí）考慮軸的定位問題及軸在加工過程中因振動引起的尺寸偏差。采用數控銑床通用夾具（jù）台虎鉗較難裝夾，裝夾過程很難保證軸向的轉動和偏移，因此正麵裝夾時配合使（shǐ）用 V 形塊，反麵裝夾時考慮設計專用夾具。在一端的細長軸加工完進行反麵裝夾時，如何保證裝夾穩固（gù）、定位精度高（gāo），是設計過程中尤其需要注意的問題。另外（wài），8 mm×8 mm×8 mm方形槽的邊緣厚度接近 2 mm，屬於薄壁加工。薄壁零件（jiàn）的共同特點是受力形式複雜、剛（gāng）度低，加工時極易引起誤差變形或工件顫（chàn）振，降低加工精度。因此（cǐ），在加工（gōng）過程中需（xū）要選（xuǎn）擇合理的裝夾方式及銑削工藝，以保證零件的加工精度。

2、搖杆零件夾具設計方案

2.1　首次裝夾的夾（jiá）具設計

工件在（zài）銑床上的裝夾方式（shì）有很多。在數控銑床（chuáng）加工過程中，如果原材料為塊料，可以直接使用虎鉗進行裝夾。如果原材料為（wéi）棒料，那麽普通的虎鉗無法對其進（jìn）行合理的定位及夾緊，通常需要使用 V 形虎（hǔ）鉗。但 V 形虎鉗造價較高（gāo），在數控銑（xǐ）床加工中的（de）使用效率低，一般（bān）不（bú）選用。因此，在裝夾鋁（lǚ）棒毛坯（pī）時，需設計專用夾具（jù）。采用合理的工裝夾具設計並（bìng）調整工藝，可一次裝（zhuāng）夾多個工件，從而減少換刀次數。

根據工（gōng）件的形狀（zhuàng）和尺寸要求，此工件毛坯選用Φ45 mm×110 mm 的（de）鋁棒料。先銑削軸 Φ12-0016（上角）-0.034（下角）mm和連（lián）接杆一端，為了加工的穩定性，一次隻能（néng）裝夾一件毛坯。裝（zhuāng）夾（jiá）時，將銑床（chuáng）的機用平口鉗和 V 形塊進行組合（hé）裝夾（jiá），工件正麵裝夾如圖 2 所示。完成後的零件（jiàn）如圖 3 所（suǒ）示。

圖 2　工件正麵裝夾

圖 3　正麵銑削產品

2.2　二次裝夾的夾具設計

反麵銑削的裝夾問題是一大難題（tí），由於 Φ12-0016（上角）-0.034（下角）mm是細長軸，很（hěn）難采用 V 形塊進行裝夾（jiá），考慮設計專用夾具。為了（le）保證夾具在加工過程（chéng）中能夠夾緊（jǐn）工件，考慮拆除平口鉗上的（de）固定鉗口和活動鉗口板。首先在鋁板上的相應位置鑽階梯孔，其次（cì）用螺釘將鋁板（bǎn）鎖緊在平口（kǒu）鉗的固定鉗（qián）口和活動鉗口上，再次（cì）將鋁板銑削成夾具，最後將（jiāng）工（gōng）件（jiàn）反麵裝夾在鋁板夾具中。工件的反麵（miàn）裝夾示意圖如圖 4 所示（shì），夾具設計如圖 5 所示（shì）。

圖 4　反麵裝夾示意圖

圖 5　夾具設計

3、工件加工工（gōng）藝分析（xī）

3.1　工件的變形控製

鋁合（hé）金在加工過程中容易出現變形，且引起變形的因素（sù）較多。機床方麵（miàn）的影響主要有定（dìng）位精度和剛度（dù），其中定位精（jīng）度的影（yǐng）響最大。另外，刀具對鋁合金材料加工變形的影響也非常大，刀具的刃數參數、材質以及剛性直（zhí）接影響鋁合金材（cái）料的加工效果（guǒ）。由於鋁合金質地較軟且剛性較差，在裝夾時應盡量使夾具和工件大麵積接觸。同時，切削加工鋁（lǚ）合金時要盡量利用高速加（jiā）工的原理，保持高轉速、少切、快跑。考慮鋁合金（jīn）的特性（xìng），夾（jiá）緊力不宜過大，在工件開粗時應盡量選擇較小的切削參數。由於軸 Φ12-0016（上角）-0.034（下角）長度為 50 mm，屬於細長杆，直徑較小的銑刀可（kě）能刀柄長度達不到（dào）要求，選用 Φ20 mm 的銑刀進行開粗。它（tā）的轉速為 1500r·min-1（上角（jiǎo）），進給為 500 mm ·min-1（上角），背吃刀量為 2 mm。在加工軸 Φ12-0016（上角）-0.034（下角） mm 和軸 Φ10 mm±0.05 mm時，為了（le）更好地做好誤差控製，粗加工時單邊餘（yú）量留0.3 mm。粗加工（gōng）後，測（cè）量工件（jiàn）的尺寸誤差，將（jiāng）誤差計入工件（jiàn）的尺寸中進行半精加工，餘量留 0.1 mm。測量後，調整參數進行精加工。搖杆（gǎn）正麵銑削時， Φ12-0016（上角）-0.034（下角）mm 內部有一個 8 mm×8 mm×8 mm 的方形孔。在工藝安排（pái）上應盡量先加（jiā）工方形槽，再加工外圓柱。如果（guǒ）先加工（gōng）圓柱再加工方（fāng）形孔，在加（jiā）工方形（xíng）孔時由於壁厚較小，由振動和切削熱變形所帶來的變形量過大，可能會導致圓（yuán）柱和正方形的中心同軸度誤差過大。在銑削時，首先選用（yòng） Φ4 mm 的鋁用合金刀具，采取沿輪（lún）廓下刀的方（fāng）式，每層 0.2 mm進行粗加工。其次，選用 Φ3 mm 鋁用合金刀具，采用區域方式精加工底麵，以達到深度尺寸要求。最後（hòu），選用 Φ3 mm 鋁用合金刀具，采用輪廓精加工的方式加工輪廓（kuò），直至達到尺寸精度要求（qiú）。

另（lìng）外，為了減少溫度對（duì）加工變形產生的影響，在整個切削過程中一（yī）定要打開切削液，最大限度帶走加工（gōng）熱量，控製變形，防止鋁料被融化。

3.2　工（gōng）件加工工序安排

根據數控加（jiā）工工序的安排原則（zé），粗加（jiā）工時盡量去除大部分材料。半精加工前測量工件尺寸，計算機床誤差，並將其加入工件的尺寸餘量中。精加工前再次測量工件的尺寸誤差並進行調整（zhěng），以獲得精確的尺寸和（hé）光潔的表麵 [5]。具體加工工序如（rú）下。

（1）用機用平口鉗和 V 形塊組（zǔ）合裝夾 Φ45 mm×110 mm 的鋁棒毛坯，用 Φ20 mm 的（de）銑刀銑削毛坯上表麵。

（2）用 Φ4 mm 的銑刀粗銑中間 8 mm×8 mm×8 mm帶（dài）半徑2 mm圓（yuán）角的方槽。粗加工轉速（sù）為4 500 r·min-1，進給為 800 mm·min-1（上角），背（bèi）吃刀量為 0.2 mm。底部及側壁（bì）單邊留餘量 0.15 mm。

（3）采用數顯遊標卡尺測量方（fāng）形槽尺寸餘量，並與之前所留（liú）餘（yú）量 0.15 mm 相比，根據機床誤差（chà）調（diào）整餘量參數。用 Φ3 mm 的銑刀精銑中間 8 mm×8 mm×8 mm帶半徑 2 mm 圓角的方槽底部及側壁。精加工轉速為6000 r · min-1（上角），進給為（wéi） 400 mm · min-1（上角），背（bèi）吃刀量 1 mm。

（4）用 Φ20 mm 的銑刀銑（xǐ）削對軸（zhóu） Φ12-0016（上角）-0.034 mm （下角）進行粗（cū）加工（gōng），轉速為 1500 r·min-1（上（shàng）角），進給為 500 mm·min-1（上角（jiǎo）），背吃刀量為 2 mm。底部及側壁單邊留餘（yú）量 0.3 mm。

（5）測量軸 Φ12-0016（上角）-0.034 mm （下角）的尺寸，將工件因振動（dòng）引起的變（biàn）形及機床誤差計入程序參數中。用 Φ20 mm的（de）銑刀（dāo）銑削對軸 Φ12-0016（上角）-0.034 mm （下角）進行半精加工，轉速為1700 r·min-1（上角），進給為 400 mm·min-1（上角），背吃刀量為（wéi）10 mm。底部及側壁（bì）單（dān）邊留餘量 0.1 mm。

（6）測量軸 Φ12-0016（上角）-0.034 mm （下角）的尺寸餘量進行精加工，轉速為 2 500 r · min-1（上角（jiǎo）），進給為 400 mm · min-1（上角）。用Φ20 mm 的銑刀銑削中間連接杆，按照粗加工（gōng）、半精

加工和精加工 3 個步驟進行銑削。

（7）用 45°倒角刀對（duì）工（gōng）件進行倒（dǎo）角，轉速為4 500 r · min-1（上角），進（jìn）給為（wéi） 300 mm · min-1（上角）。

（8）將工件反麵裝夾在鋁板（bǎn）專（zhuān）用夾具中，並使用平口鉗夾緊。

（9）用Φ20 mm的銑刀銑削對軸Φ10 mm±0.05 mm進行粗加工，轉速為 1 500 r·min-1（上角），進給為 500 mm·min-1（上角），背吃刀量為 2 mm。底部及側壁單（dān）邊留餘量 0.3 mm。

（10）測量軸 Φ10 mm±0.05 mm 的位置及尺寸偏差（chà），並計入程序參數中。用Φ20 mm的銑刀銑削（xuē）對該（gāi）軸進行半精加工，轉速為 1 700 r · min-1（上角），進給為 400 mm · min-1（上角），背吃刀量為 10 mm。底（dǐ）部及側壁單邊留餘量 0.1 mm。

（11）測量軸 Φ10 mm±0.05 mm 的尺寸餘量（liàng），進行精加工，轉（zhuǎn）速為 2 500 r · min-1（上角），進（jìn）給為 400 mm · min-1（上角）。

（12）用倒角（jiǎo）刀對（duì）工件進行倒（dǎo）角。

4、結語

通過分析搖杆的結構特點，確（què）定了正、反麵加工的裝夾方案，合理設計了加（jiā）工時的專用夾具。對搖杆零件中的薄壁結（jié）構進行合理的（de）工藝設計，保證零件薄壁部分的尺寸精度。通過工藝設計在一定程度上（shàng）補償了工件的變形誤差，保證了零件的形位公差和粗糙（cāo）度要求。

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