对称弧形档铁零件的高效加工工艺研究

曾柏权

（广东省韶关市技师学院，广东 韶关512023）

0　引言

在我院校企合作加工的系列产品中，其中有一特殊零件（弧形档铁）如图1所示。

图1　弧形档铁

在φ120外圆台阶处，有一组径向对称圆弧表面需要加工，待加工圆弧R80表面的形位精度要求工件轴线的对称公差0.02 mm，R80的上偏差为-0.20 mm，下偏差为-0.40 mm，加工难度大。

原始加工方案是：①安排车床工序：加工外圆、加工台阶、加工倒角、加工内孔、内锥。②采用立式钻床钻对称孔φ11。③普通铣床上铣削键槽。④数控线切割加工R3及两直角面。⑤数控铣床、加工中心单件铣削对称圆弧表面R80.

在数控铣床、加工中心铣削中，毎次只能加工一个零件，精度虽可以保证，但加工成本较大，没有充分发挥数控铣床和加工中心的作用。为此，通过对其工艺进行研究改进，研制了一种专用夹具来加工，在保证加工精度的同时，大幅缩短辅助时间，降低了工人劳动强度，提高了生产效率，降低了加工成本。

1　专用夹具设计与分析

原方案效率低，主要是因为毎次只能加工一个零件，因此新的加工方案的出发点是提高一次加工的零件数。为此，需要设计专用的夹具。利作专用夹具的优点，以获得较高的加工精度和生产效率。

1.1　设计原理

工件圆弧表面R80通过合理布置安装在圆形花盘上，可构成一个直径φ160的圆，构成的圆属于回转体。如果能利用这种关系，则便可在车床加工。则需要设法通过1∶5锥孔进行锥形心轴装夹定位，锥形心轴可通过螺母、开口垫圈实现定位。而构成一个直径φ160的圆平均分布在圆周上需要6个工件同时安装，从而推论出只要把直径φ160的圆的圆心设计与车床主轴轴线同轴，即可设计专用夹具，实现以车代铣，最大限度的扩展机床的使用范围。夹具装配图如图2所示。

图2　夹具装配图

1.2　工件在夹具中的定位分析

如图2所示，夹具体的锥形心轴1限制了工件的五个自由度，止转削边销5限制了一个自由度。夹具体的锥形心轴1相当于五个支承点限制了工件的五个自由度，X移动、Y移动、Z移动、Y转动、Z转动。止转削边销5定位相当于一个支承点，它限制了一个自由度X转动。

1.3　夹具定位误差和定位精度的分析

由定位分析可知，夹具采用了心轴、圆柱孔、止转圆柱销进行定位，将会产生一定的定位误差，要保证圆弧面与工件轴线的距离及圆弧面在工件轴线中的对称要求，必须使工件在夹具中定位所产生的误差小于工件的形位公差。

1）尺寸链分析，夹具主体零件图（图3）所示尺寸

φ30轴与孔φ30H7的最大间隙为：[6]

0.025-（ -0.016）=0.041（mm）

则工件轴线与主轴轴线距离为：

100.025+0.041=100.066（mm）

2）若R80转为φ160孔径加工时控制公差为±0.05mm，则：

圆弧面与工件轴线的最大距离为：

103.066-79.975=23.091 ＜ 23.26（mm）

圆弧面与工件轴线的最小距离为：

102.934-80.025=22.909 ＞ 22.74（mm）

故满足圆弧面与工件轴线的距离要求，同时φ160孔径控制在公差为±0.05 mm时，也满足R80圆弧的精度要求。

由此得到新的加工方案：新方案以车代铣，专门设计了专用夹具使六个工件能够同时安装，并能保证工件待加工圆弧R80的圆心处在主轴轴线上。因此只需将基准轴轴线相对于主轴轴线平行偏离一个准确的距离（偏心距103 mm）夹具装配图（见图2）所示即可达到加工的装夹要求。利用削边销采用工件上已钻削出的φ11孔中的其中一个作为工件止转定位，可保证圆弧表面的位置精度，从而保证工件在夹具中定位，利用螺母、开口垫圈辅助夹紧，使工件在整个车削过程中始终保持正确的位置达到加工要求。

1.4　强度校核

通过受力分析，导致止转削边销剪切疲劳强度极限的变形量因素主要有两方面。一方面由剪应力影响，另一方面由离心力的影响。

通过主切削力计算公式：FZ=2 000 apf[2]

当选取 ap=1 mm、f=0.1 mm/r，则：FZ=2 000× 1 × 0.1=200（N）

剪应力的计算：当选取止转削边销为φ10 mm，[3]则截面积A=πR2=3.14×52≈0.007 85 M2.

τ=Q/A=FZ/A=200÷0.007 85=25 477.71 Pa≈25.477 MPa

当选取材料为45#，许用应力为30 MPa.根据剪切强度条件 τ=Q/A ≤ [τ]，τ≈ 25.477 MPa ≤ [τ][4]故，止转削边销轴符合剪切强度要求。

2　夹具制作、安装[5]

2.1　夹具的构成

夹具的构成分为四部分：锥形心轴、定位装置、夹紧装置、夹具体构成。其零部件具有各种不同的几何形状、尺寸规格，并且它们的精度高、硬度高、耐磨性好，具有良好的互换性。可以非常方便维护，便于重复使用。夹具体可直接安装在车床主轴上。其结构简单，制造难度不大。夹具主体零件图，如图3所示。

图3　夹具主体零件图

2.2　夹具的安装

夹具体可直接安装在车床主轴上。因为工件是装夹在夹具上加工的，因此，夹具体的精度直接影响工件的加工精度，故加工工件前必须对夹具体进行精度检测，要求夹具体本身的几何误差小于工件相关公差的1/3～1/2.

2.3　工件加工工艺

工序一：车床加工外圆、加工台阶、加工倒角、加工内孔、内锥。

工序二：采用立式钻床钻对称孔φ11.

工序三：普通铣床上铣削键槽。

工序四：数控线切割加工R3及两直角面。

工序五：利用设计的夹具安装，对径向局部圆弧进行加工，实际上是将R80圆弧转换成加工φ160 mm的孔径，从而达到设计的目的，找到解决问题的方法。

2.4　加工φ160mm的孔径数控工艺

1）零件图工艺分析

a）技术要求分析 加工φ160达尺寸精度要求，锐边去毛刺。

b）确定夹具安装工件的装夹方案，合理选择加工起点、换刀点，建立工件坐标系原点。

2）制定加工工艺路线。

3）根据工艺特点，合理选择刀具，使用镗孔车刀进行孔的粗、精加工。

4）确定切削三要素：选取切削深度ap=1 mm、进给量f=0.1 mm/r、转速N=220 r/min

5）编写加工程序

O 0001 程序名

N10 G0 X200 Z100 定位到加工起点，换刀点

N20 S220 M3 T0101 启动主轴转速，正转，换1号刀并执行刀偏

N30 G99 G0 X152 Z20 定位到孔加工起点

N40 G90 X154 Z－2 F0.1 粗车孔，每刀切削深度1mm

N50 G90 X156 Z－2 F0.1 粗车孔，每刀切削深度1mm

N60 G90 X158 Z－2 F0.1 粗车孔，每刀切削深度1mm

N70 G90 X159 Z－2 F0.1 半精车孔，每刀切削深度1mm

N80 G90 X160 Z－2 F0.1 精车孔，每刀切削深度1 mm

N90 G0 X200 Z100 刀具返回加工起点

N100 T0100 换1号刀并取消刀偏

N110 M30 程序结束

3　生产效率对比分析

生产效率是企业生存和发展的重要因素之一，所以保证生产效率是产品加工重要环节。生产效率比较必须在机床设备调试正常、加工质量稳定、批量生产前提下进行。现通过进行对称弧形档铁零件的加工采集数据进行生产效率比较：

3.1　加工中心、数控铣床、CJK6140经济型数控车床单件机动工时间比较

在数控铣床和加工中心中，只能实现一次一件的加工，加工效率低，不经济；在CJK6140经济型数控车床上采用夹具装夹加工，一次可实现六工位同时加工，单件机动工时间如下表1所示。

表1　单件机动工时间比较

3.2　加工中心、数控铣床、CJK6140经济型数控车床单件耗电比较

在数控铣床和加工中心中，装夹工件时间长，电能损耗高，在CJK6140经济型数控车床上采用夹具装夹加工，一次可实现六工位同时加工，装夹时间短，电能损耗低，单件耗电比较如下表2所示。

表2　单件耗电比较

采用上表数据对比和分析的结果判断，利用CJK6140经济型数控车床设计专用夹具装夹加工的方法加工，要比采取数控铣床单件装夹加工的方法效率高，要比采取加工中心单件装夹加工的方法效率高。利用CJK6140经济型数控车床设计专用夹具装夹加工大大提高生产效率、降低成本，是目前加工的最佳方法。

4　零件加工实体

利用CJK6140经济型数控车床设计专用夹具装夹加工零件质量达图纸要求，如图4所示。

图4　零件加工实体图

5　结束语

本文讲述的例子，采用夹具后，大量减少辅助时间，同时降低工人劳动强度，劳动生产率显著提高，其关键因素是工件的装夹定位。正确处理好夹具核心问题，解决刀柄刚度问题、切削用量选取更精准、控制切屑流出方向因素，问题就迎刃而解。

参考文献：

[1]薛源顺，刘福库，吴春华，等.机床夹具设计[M].北京：机械工业出版社，1999：8-37.

[2]许兆丰，梁君豪，南晓东.车工工艺学[M].中国：劳动出版社，1996：129.

[3]蔡月珍，王有先，王庆翔，等.金属材料与热处理[M].北京：中国劳动出版社，1993：12-14.

[4]蔡月珍，王有先，王庆翔，等.金属材料与热处理[M].北京：中国劳动出版社，1993：65-66.

[5]陈望，王愧德，车工实用手册[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2002：612-620.

[6]胡荆生.公差配合与持技术测量[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2000：14.