銑削兩平行球面的專用夾具制作探討

劉健民

摘要：文章通過對(duì)圓錐體工件加工工藝的加工特點(diǎn)的研究，針對(duì)V形塊夾緊或三爪卡盤夾緊裝置的不足，設(shè)計(jì)出一套多工位圓錐體球面銑削專用夾具，并對(duì)圓錐體球面利用該夾具安裝以及采用數(shù)控銑床進(jìn)行編程銑削加工的加工工藝、編程方法等進(jìn)行分析。該夾具在實(shí)際應(yīng)用中既保證了產(chǎn)品的加工精度，又提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：銑削兩平行球面；數(shù)控銑床夾具；數(shù)控編程；數(shù)控加工；圓錐體工件 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG75 文章編號(hào)：1009-2374（2015）10-0014-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0860

1 概述

我校的實(shí)習(xí)車間具有半開放性，即車間在完成日常實(shí)習(xí)教學(xué)任務(wù)之外，還承接對(duì)外來(lái)料加工。圓錐體零件就是其中的一種，筆者通過對(duì)該工件圖紙加工工序的分析，若按普通方法加工，既難保證加工精度，而且效率極低，無(wú)法如期交貨，為此，為了提高生產(chǎn)效率，筆者設(shè)計(jì)出圓錐體加工工序的專用夾具。該零件所用的材料為45號(hào)鋼的材料，屬于大批量生產(chǎn)。

2 確定工藝分析

2.1 制定加工工藝

通過對(duì)該工件零件圖及加工要求的分析，考慮到學(xué)校的生產(chǎn)設(shè)備，采用較為合理的零件加工工藝如表1所示：

表1

序號(hào) 加工形面 設(shè)備

（1） 下料 鋸床

（2） 車圓錐、車外形 數(shù)控車床

（3） 銑削球面尺寸 數(shù)控銑床

（4） 鉆、鉸底孔 鉆床

（5） 攻螺紋 鉗工

（6） 去毛刺 鉗工

2.2 由零件要求精度高的部位

（1）左端面圓錐大端尺寸；（2）右端面圓球尺寸；（3）孔的尺寸；（4）形位公差：對(duì)稱度和垂直度要求；（5）錐度比值C=1∶10。

由加工工藝可知，該零件的外部尺寸由數(shù)控車床一次加工完成，而對(duì)于工序（3）中的銑削尺寸的球面，在裝夾上有一定的難度，若采用V形塊夾緊或三爪卡盤夾緊，則會(huì)給銑削加工帶來(lái)困難。

用V形塊夾緊或三爪卡盤夾緊銑削零件兩側(cè)面時(shí)，以圓錐體定位夾緊，雖可以?shī)A持，但遠(yuǎn)離夾緊點(diǎn)接觸中心，夾緊力不夠，定位不好。若加大夾緊力，又容易將其夾緊表面損傷而報(bào)廢；若以圓球面夾入V形塊內(nèi)加工，工件端面則定位有缺陷，造成加工誤差，因而我對(duì)加工工藝過程作比較如表2所示：

表2

采用夾具 銑削加工 加工精度 定位 加工

質(zhì)量 生產(chǎn)效率

V型塊或三爪卡盤 困難 差 差 達(dá)不到要求 低（5～10件/小時(shí)）

圓弧面 方便可靠 達(dá)到要求 好 符合

要求 高（30～50件/小時(shí)）

由表中可知，通過比較驗(yàn)證：選用較為合理的夾具用圓弧面夾緊，既提高了加工質(zhì)量，又極大地提高了生產(chǎn)效率，證明了該夾具能穩(wěn)定可靠地保證工件的加工技術(shù)要求，大大減少了工作的盲目性。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了用圓弧面夾緊的多件銑夾具，通過實(shí)際使用既簡(jiǎn)單又實(shí)用，不但滿足了工件夾緊、定位的要求，而且也簡(jiǎn)化了夾具的制造工藝，提高了加工的穩(wěn)定性和加工精度，使用這套夾具不但減少了廢品率，同時(shí)也大大地提高了機(jī)械加工的生產(chǎn)效率。

3 確定夾具的結(jié)構(gòu)

3.1 由定位方案確定定位元件

3.1.1 自由度的限制見圖1：

圖1 特形定位件圖

為了保證銑削球面中尺寸16mm和對(duì)稱度的兩平行面，采用左端圓錐體和右端球面定位，限制工件沿X軸、Z軸方向移動(dòng)和Y軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)；加工時(shí)為了方便地控制刀具的走刀位置，因而工作的六個(gè)自由度不需完全限制。由工藝分析可知，要使定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)相重合，所選定的基準(zhǔn)應(yīng)是左端端面、左端錐度C=1∶10和右端的球面。

3.1.2 確定定位元件：（1）特形定位件尺寸的確定；（2）底面用底板定位。

3.2 分析定位誤差

球面尺寸的兩側(cè)面與對(duì)稱度的定位誤差。

工件以左端面尺寸圓錐體和右端尺寸的圓球面軸線定位，定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合，△jb=0，但特形定位件尺寸和零件配合時(shí)產(chǎn)生的最大間隙Xmax=ES-ei=0.04-（-0.023）=0.047mm此值約為對(duì)稱度公差0.10mm的一半，將影響兩側(cè)的對(duì)稱度要求，應(yīng)采取措施減小誤差：一是將特形定位件部分的制造精度提高達(dá)到IT6級(jí)（H6），二是將左端面尺寸的圓錐體和右端的球面加工精度提高（達(dá)到IT6級(jí)）。

3.3 夾具體的設(shè)計(jì)

夾具體選用Q235板料，板料基本厚度為20mm，并在夾具體底部?jī)啥嗽O(shè)計(jì)出供T型槽用螺栓緊固夾具用的U型槽耳座。

3.3.1 夾具的結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求：（1）它由夾具體、特形定位塊、夾緊塊、夾緊螺釘?shù)冉M成。夾具體安裝在數(shù)控銑床工作臺(tái)面上，并使兩側(cè)面與其工作臺(tái)面平行，安裝后，擰緊夾緊螺釘即可。（2）夾具的技術(shù)要求：保證各定位塊在水平直線上；保證各定位塊均可在槽內(nèi)靈活移動(dòng)；定位塊中心孔與零件左端的圓錐體和右端的圓球面H6/j5的過渡配合；各定位塊中心孔整體加工后需沿中心孔中心縱向切開。

3.3.2 夾具的定位與夾緊方法：將一組待加工的零件定位于各定位塊間中心孔內(nèi)，由于各定位塊在槽內(nèi)可自由移動(dòng)，定位后扭緊夾緊螺釘，使各定位塊產(chǎn)生擠壓，從而實(shí)現(xiàn)夾緊的目的。

4 夾具的制作

（1）開料，材料牌號(hào)為Q235板材，材料牌號(hào)為45號(hào)鋼；（2）加工，銑削各材料至圖紙尺寸，加工絲桿到尺寸要求；（3）將豎板焊接到底板上，并保證垂直度要求；（4）在銑床上加工出U形耳，在刨床上精刨底板上、下底面及豎板內(nèi)側(cè)面，并達(dá)到尺寸及垂直度要求；（5）劃線、加工各槽及孔、攻絲；（6）加工圓柱形定位銷；（7）裝配、校正。

5 數(shù)控銑削加工

5.1 加工順序及走刀路線

本道工序主要就是銑削兩個(gè)平行面，所使用的刀具主要以立銑刀為主，本著先粗后精為原則，因此零件的加工順序?yàn)榇帚姟?。?shù)控銑床僅僅銑削兩個(gè)平行面，因此機(jī)床反向間隙對(duì)加工的影響微乎其微，考慮到程序的簡(jiǎn)潔，采用之字型由左至右的走刀方式。

5.2 刀具的選擇

零件材料為45#鋼，沒有熱處理過程，硬度較小，切削性能較好。此外，零件只需加工的是兩個(gè)平行面。因此，選用通用高速鋼刀具即可滿足加工要求。根據(jù)加工順序及零件的特點(diǎn)確定刀具如表3所示：

表3

刀具編號(hào) 刀具規(guī)格、名稱 加工位置

T01 Φ12立式銑刀 兩平行面的粗加工

T02 Φ12立式銑刀 兩平行面的精加工

5.3 切削用量的選擇

依據(jù)機(jī)床的剛性、工件、刀具的切削性能以及加工效率等綜合考慮來(lái)確定切削用量的選擇。查詢切削手冊(cè)與刀具使用說明書結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定切削速度（Vc）、每齒進(jìn)給量（fz）、切削深度（ap）。利用公式Vc=nπd/1000計(jì)算主軸轉(zhuǎn)速n，利用公式F=nzfz計(jì)算進(jìn)給速度。根據(jù)刀具使用說明書確定ap≈（0.2-0.3）D。如表4所示：

表4

工步內(nèi)容 刀具編號(hào) 刀具規(guī)格 主軸轉(zhuǎn)速 進(jìn)給速度 背吃刀量

兩平行面的

粗加工 T01 Φ12 800 300 1

兩平行面的

精加工 T02 Φ12 1000 200 23

5.4 編程加工

5.4.1 編制程序分析。該零件加工特征比較簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的刀路計(jì)算，利用宏程序短小、易理解、易修改、對(duì)機(jī)床內(nèi)存的占有量小的特點(diǎn)，采用手工編程的方式進(jìn)行編程。

5.4.2 工件原點(diǎn)設(shè)定。圖中為零件編程圖樣，編程原點(diǎn)設(shè)在夾具的中間。這樣使得零件的定位基準(zhǔn)與編程基準(zhǔn)重合，避免了因零件尺寸的變化而帶來(lái)的加工

誤差。

5.4.3 零件程序：

{主程序}

粗加工，加工余量0.2mm、D01為6.2mm

AAA：

N10 R1=0 深度變量

N20 G90 G64 G54 G01 Z100 F3000 Z軸走到起始位置

N30 S800 M03 主軸旋轉(zhuǎn)

N40 X0 Y0 檢測(cè)工件零點(diǎn)

N50 X125 Y-25 走到下刀點(diǎn)位置

N60 Z3 刀具下到慢速下刀位置

N70 Z0 F500 M08 慢速下刀到表面零點(diǎn)

N80 AA：R1=R1-1 每次Z軸下刀的疊加值

N90 Z=R1 F500 Z軸下刀深度

N100 G41 X110 Y-8 D01 建立刀具半徑左補(bǔ)償

N110 X-110 F300 X移動(dòng)位置

N120 Y8 Y移動(dòng)位置

N130 X110 X移動(dòng)位置

N140 Z3 F3000 Z移動(dòng)位置

N150 G40 X125 Y-25 取消刀具補(bǔ)償

N160 IF R1<25 GOTOB AA 當(dāng)R1小于25時(shí)自動(dòng)跳到AA繼續(xù)加工

N170 GO1 Z100 F300 M09 提起主軸

N180 X0Y0 回到零點(diǎn)

N190 M05 主軸停止

N200 M30 程序停止

精加工，加工余量為0、D02為6mm

BBB：

N10 G90 G64 G54 G01 Z100 F3000 Z軸走到起始位置

N20 S1000 M03 主軸旋轉(zhuǎn)

N30 X0 Y0 檢測(cè)工件零點(diǎn)

N40 X125 Y-25 走到下刀點(diǎn)位置

N50 Z3 刀具下到慢速下刀位置

N60 Z-25 F500 M08 慢速下刀到表面零點(diǎn)

N70 G41 X110 Y-8 D02 建立刀具半徑左補(bǔ)償

N80 X-110 F200 X移動(dòng)位置

N90 Y8 Y移動(dòng)位置

N100 X110 X移動(dòng)位置

N110 Z100 F3000 M09 Z軸提刀

N120 G40 X0 Y0 取消刀具補(bǔ)償

N130 M05 主軸停止

N140 M30 程序停止

6 零件檢測(cè)

經(jīng)檢測(cè)零件的加工誤差在-0.1mm以內(nèi)，完全滿足加工要求。

7 應(yīng)用

本夾具在應(yīng)用中可對(duì)一組零件進(jìn)行加工，極大地提高了生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，保證了加工時(shí)的位置精度，而且產(chǎn)品的同一性高，極大地降低因V形塊夾緊或三爪卡盤夾緊銑削問題及因?qū)Φ墩`差等原因造成的產(chǎn)品報(bào)廢，節(jié)約了原材料。同時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)中，操作也較方便，若增加多件銑夾具的定位塊數(shù)目，其生產(chǎn)率還可以進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 薛源順.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2] 李慶壽.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

[3] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（1～5卷）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[4] 西門子系統(tǒng)數(shù)控編程手冊(cè)[S].

[5] 勞動(dòng)人事部培訓(xùn)就業(yè)局.銑工工藝學(xué)[M].北京：勞動(dòng)人事出版社，1987.

[6] 李可成.機(jī)械制圖[M].北京：勞動(dòng)人事出版社，1990.

[7] 勞動(dòng)人事部培訓(xùn)就業(yè)司.金屬材料與熱處理[M].北京：勞動(dòng)人事出版社，1985.

[8] 東北重型機(jī)械學(xué)院，洛陽(yáng)工學(xué)院，第一汽車制造廠職工大學(xué).機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）[M].上海：上海科技出版社，1991.

（責(zé)任編輯：周 瓊）