螺旋曲面工装夹具设计与加工工艺

2014-10-12广东韶关市技师学院512026李树清

金属加工(冷加工) 2014年1期

广东韶关市技师学院 (512026) 李树清

外折角是 (见图1)用于烟草机械配件行业中小包烟盒透明纸导向的一个元件，在工作中和另外一件内折角相互配合使用，主要起透明纸导向和折角的作用。透明纸通过螺旋曲面的导向，将纸向上折叠，从而使透明纸准确将小包烟盒包装好。然而设备在正常的运行中，如果零件有误差，配合性不好，会直接影响折叠部位不齐、松弛、散包等生产质量问题。所以外折角零件在该包装机上属于一个至关重要的零件。因此必须严格按图样要求加工;另外还要求外折角零件外观要美、表面粗糙度值一定要小。外折角的零件图如图2所示。

图1 外折角零件实物图

1.外折角零件的加工工艺分析

该外折角零件材料为2Cr13，在本工序之前已利用普通铣床铣削外形、钻床钻孔、攻螺纹、磨床磨削加工 (见图3)。由于本工序主要加工螺旋曲面，加工余量仍然比较多，因此本工序在加工时仍然要采用先粗后精的加工方法进行铣削，最后再留余量给钳工抛光。

(1)加工特点本工序所要加工的部位轮廓由螺旋曲线、圆弧及斜角构成的螺旋曲面，形状复杂，加工余量大，精度要求高，表面粗糙度值为 Ra=0.8μm;而且2Cr13材质塑性高，加工硬化严重，变形大，极易产生振动，处理不好会导致钝角崩口，表面粗糙度难以达到要求。总之，该零件的特点是:加工、检验都比较困难。针对上述情况，该零件本工序应该放在数控铣床上铣削螺旋曲面。

图2 折角零件图

图3 转入数控铣床之前的外折角零件

由于数控铣床特点为:加工精度高，工件质量稳定，数控机床精度不受零件形状复杂和角度的影响，一般在0.005～0.1mm，加工中消除了操作者的人为误差，提高了同批零件尺寸的一致性。这为提高产品的互换性和装配的工作质量提供了有利条件，使产品质量保持稳定。因此本工序外折角零件加工螺旋曲面时选用数控铣床进行加工。加工时刀具路径为从上往下分层的加工路径。

(2)刀具选用外折角零件材料为2Cr13，这种材料的特点是:①强度高，尤其是高温强度和高温硬度高。②塑性大，韧性高，切削变形大。③导热率低，由工件和切屑带走的热量很少，使切削区的温度较高，刀具容易磨损。④粘附性强，切削时容易形成积屑瘤。⑤加工表面容易形成冷硬现象。

基于以上几点，选择硬质合金刀具。在加工中我们选用直径12mm的硬质合金立铣刀开粗;然后选用R3mm的硬质合金球头刀精铣。

(3)试加工工件的装夹最开始承接该外折角零件的加工任务时，我们觉得此零件比较简单 (单从图样看);因此我们选择了用平口虎钳装夹工件进行加工。当然该零件需要加工“正反”两面 (即相邻的两个面);因此需要装夹两次才可以完成。

工艺是:先加工余量多的A面，把工件的斜边用一个42°角的三角形塞块塞住，一起放在平口虎钳轻轻夹紧，用百分表校正平面，对刀输入Z;执行数控铣床已编好的程序，粗精加工。之后把工件调头翻转180°再装夹，用百分表校正平面，加工B面。

在零件装夹和加工过程中发现:①铣刀在铣A面的斜面时很容易铣撞到虎钳口，造成虎钳有缺口，影响虎钳的精度。②装夹位置短，悬空处太长，铣削时产生工件振动和让刀现象，工件容易松动。③工件在找正时不方便，不好定位，铣削出来的尖角处 (0.35mm)有厚有薄。④加工好A面，在加工B面时候，工件要调头翻转180°装夹，工件不好装夹，用平口虎钳夹左边，会把斜角边缘处夹扁，工件变形，造成废品或次品。

经过试加工后发现:用平口虎钳装夹加工，效率低，铣出来的零件达不到图样规定的技术和精度等级，没办法完成生产任务。

2.夹具制作

(1)夹具结构该夹具 (见图4)结构简单，由定位块和底板组成。

第一部分是定位工件用的定位块 (见图5)。该定位块与底板“凹槽”精密配合 (过盈配合)，并通过两个M8螺栓将定位块紧固在底板上面。

图4 专用夹具总装图

图5 定位工件用的定位块

第二部分是底板 (见图6)。底板正面有一个41mm×19mm×5mm(此尺寸为配做过盈配合尺寸)凹槽;底板的底面中间位置还有一条通槽，用来安装两个导向定位键;从而使夹具能直接与数控铣床T形槽准确精密配合联接。底板外形尺寸根据外折角零件尺寸 (外折角零件“正反A、B面”加工均在同一夹具上完成)以及定位工件用的定位块外形尺寸决定。底板选用45钢制造，并进行调质240～280HBW处理。加工时按图样要求利用普通铣床铣削底板外形，两处宽17mm(即R8.5mm)半通槽，钻孔，攻螺纹，磨削正反两面，铣削通槽，安装与机床工作台T形槽相配合的定位键，最后再铣削凹槽等。

图6 底板

(2)夹具的使用方法与工作原理夹具的使用方法如下:①先把定位块放置在垫块的凹槽内 (与机床工作台T形槽相配合的定位键之前已安装)，用两个M8的螺丝把定位元件锁紧。②再将组装好的夹具安装在数控机床工作台上。③把工件放在底板上靠紧定位块，用M5螺丝锁紧工件，最后用压板将工件压紧。

工作时利用安装在底板的定位元件可以将工件快速定位;该夹具采用六点定位原理进行定位;其中定位元件限制了外折角零件沿X轴移动，沿Y轴移动，X轴的转动，沿Y轴转动以及Z轴转动五个自由度;底板限制了外折角零件沿Z轴移动。

3.利用夹具安装外折角零件的加工工艺

(1)先粗加工图1中A面的螺旋曲面首先建立毛坯，根据零件的不规则特征，采用最常用的等高粗加工方式，对加工参数进行设置，加工方向采用顺铣，加工顺序Z轴优先留余量0.2mm，刀具参数用直径12mm的硬质合金立铣刀，采用从上往下分层往返式行切法，转速 2500r/min，切削速度1200mm/min，分层吃刀2mm行距0.5mm，点击确定，选择加工边界，右键生成加工轨迹。接着进行后置处理生成G代码，送至数控铣床进行加工。

(2)加工好A面后再把工件装在工装的另一边锁住，用压板压好，用同样的方法加工B面在使用工装夹具加工时，笔者发现切削过程中存在不少问题:①由于铣削力的作用，工件还是容易松动。②在加工斜边的过程中出现严重的崩角缺陷。③在采用球头刀精加工螺旋曲面时，刀具在斜边处切入切出的过程中，材料产生严重的撕裂和起层现象。④刀具磨损快，加工一件需要8h。

对于上述情况，笔者觉得问题出在走刀路径，立铣刀从上往下切削时，铣刀端齿受力，由于切削力比较大、机床的振动、切屑的影响，造成刀刃容易磨损;切削时，主轴顺时针转动，受45°主偏角铣刀铣削时产生切削力的作用，越往下切削力越大，M5螺纹处受力慢慢往工装外松动，工件产生移位，移位之后重新锁紧工件再从开始起刀处加工，浪费很多时间。

(3)合理的铣削方法对于上述这一系列问题，解决方法是改变走刀路径 (改为从下往上切削)。

(4)走刀路径分析 ①选择的路径从下往上不分层加工，刀具采用较深的铣削深度、相对窄的宽度进行铣削。对于普通数控机床采用硬质合金螺旋立铣刀加工时，在铣削深度和铣削宽度的选择上，满足相等金属切削去除率的前提下，优先采用较深的铣削深度，采用相对较小的切削宽度。这是由于螺旋立铣刀在加工时，刀具的磨损集中在切削的部位，如果采用小深度、大宽度的方式，对刀具的寿命影响较大。采用大深度、相对窄的宽度进行铣削时，相同的刀具，其使用寿命较高。②由于高速切削，切削力使工装夹具受力，M5螺纹定位销不容易松动，工件不会产生移位。③精加工时采用45°行切，实现X、Y、Z三轴联动加工，可以提高表面质量。④刀具在切入切出时避开斜边，避免曲面加工产生崩角，余留的部分通过钳工挫修、抛光。