伸縮式鞋跟模型設(shè)計(jì)與加工

何文玲

（廣州市公用事業(yè)技師學(xué)院，廣東 廣州 510000）

為了滿足多種產(chǎn)品加工，小批量的自動(dòng)化，迫切需要一種靈活的、通用的、能夠適用產(chǎn)品頻繁變化的機(jī)床——數(shù)控機(jī)床，而數(shù)控銑床為單件、小批量高精密復(fù)雜零件提供了自動(dòng)化的加工手段。

作為一種由新興產(chǎn)業(yè)模式催生的新型控制技術(shù)，數(shù)控加工技術(shù)由于其本身具有自動(dòng)化、精確化和數(shù)字化的特征，因此目前已經(jīng)得到了普通應(yīng)用。數(shù)控機(jī)床適用于不同品種及尺寸規(guī)格零件自動(dòng)生產(chǎn)，可利用數(shù)控機(jī)床加工出設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品模型，供企業(yè)作實(shí)物樣板參考。我國(guó)數(shù)控技術(shù)正隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展逐漸進(jìn)步，因此數(shù)控機(jī)床也逐漸得到了廣泛關(guān)注。而數(shù)控機(jī)床的發(fā)展也成為當(dāng)前機(jī)械制造業(yè)得以持續(xù)進(jìn)步和創(chuàng)新的必經(jīng)之路，所以需要對(duì)其技術(shù)進(jìn)行不斷革新，為實(shí)現(xiàn)數(shù)控的自動(dòng)化發(fā)展奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)背景

學(xué)校提出與企業(yè)合作，嘗試產(chǎn)教結(jié)合的教學(xué)模式。企業(yè)希望能設(shè)計(jì)出一款可伸縮式的高跟鞋，并在開(kāi)模加工前能提交加工好的設(shè)計(jì)樣板。這款高跟鞋能實(shí)現(xiàn)高跟與平跟相互切換，既能在重要場(chǎng)合滿足高挑身材的需求，又能在平時(shí)保證安全性與舒適性，但是要實(shí)現(xiàn)鞋跟的可伸縮性，鞋跟的高度要符合人體的舒適度，卡扣的設(shè)計(jì)必須要穩(wěn)定。針對(duì)這一問(wèn)題，筆者和數(shù)控車間、模具設(shè)計(jì)的主要負(fù)責(zé)老師進(jìn)行研究，根據(jù)數(shù)控機(jī)床加工精度穩(wěn)定，適合加工多工序部件，工序管理、刀具管理等工作標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，本次加工將利用數(shù)控機(jī)床等設(shè)備加工出設(shè)計(jì)樣板的模型。下面針對(duì)這款鞋跟設(shè)計(jì)的進(jìn)展及加工進(jìn)行探討。

2 產(chǎn)品基本結(jié)構(gòu)的確定

伸縮式高跟鞋鞋跟主要由一級(jí)鞋跟、二級(jí)鞋跟、釋放開(kāi)關(guān)、主彈簧、卡位彈珠、彈珠蓋板、鞋跟蓋板和二級(jí)彈簧組成，如圖1 所示。

圖1 鞋跟的組成

本設(shè)計(jì)主要是將高跟鞋與平跟鞋的優(yōu)點(diǎn)綜合在一起，在不同的場(chǎng)合，使用不同的模式。如需高跟模式，只需按壓鞋跟上設(shè)置的一級(jí)鞋跟釋放按鈕，隱藏在平跟鞋鞋跟里的二級(jí)鞋跟會(huì)自動(dòng)彈出，同時(shí)一級(jí)鞋跟上有卡位彈珠固定二級(jí)鞋縱向位置；如需平跟模式，也只需扳動(dòng)釋放開(kāi)關(guān)，利用身體的重力向鞋跟方向踩壓，二級(jí)鞋跟就可以縮回隱藏。充分考慮到鞋跟太重帶給女性的困擾，所以在設(shè)計(jì)之初采用極簡(jiǎn)的彈力機(jī)構(gòu)，既安全舒適又輕松便捷。

3 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與加工方案確定

3.1 一級(jí)鞋跟的加工

一級(jí)鞋跟采用方形粗跟，這樣鞋跟的平穩(wěn)度比較高，由于鞋跟的坡度在15°～35°的范圍，鞋跟才能穩(wěn)定，同時(shí)不會(huì)覺(jué)得擠腳。而腳后跟到腳掌的距離在70～90 mm，初定鞋跟中心到腳掌的距離為73.5 mm，鞋跟高度的變化可在19.52～52.4 mm 范圍，本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)符合高度要求。

如圖2 所示，一級(jí)鞋跟既要滿足于二級(jí)鞋跟的嵌套配合，又必須滿足一級(jí)和二級(jí)鞋跟的伸縮性的要求，即釋放開(kāi)關(guān)和卡位彈珠的相互配合，所以在加工時(shí)釋放開(kāi)關(guān)的配合加工精度要求比較高。由于產(chǎn)品還未大規(guī)模生產(chǎn)，不能像真正的產(chǎn)品一樣開(kāi)模生產(chǎn)，故暫時(shí)利用鋁作原材料，試加工一件鞋跟模型。

圖2 一級(jí)鞋跟零件圖

一級(jí)鞋跟的加工步驟：

使用120 mm×40 mm×40 mm 的毛坯材料，使用機(jī)床的平口鉗裝夾。其加工過(guò)程分以下幾個(gè)工序完成。

工序1：銑削鞋跟底面，具體加工步驟如下。

（1）用φ12 的平刀銑鞋跟外形銑，粗加工，刀長(zhǎng)75 mm。

（2）繼續(xù)用φ12 的平刀銑對(duì)鞋底平面，粗加工。

（3）用φ16R8 的球刀的平刀銑鞋底側(cè)面和平面，精加工。

（4）繼續(xù)用φ16R8 刀銑鞋跟底面，精加工。

進(jìn)行該零件的加工過(guò)程中，首先要對(duì)零件進(jìn)行粗加工，其具體的尺寸需要大于零件的最終尺寸。對(duì)零件進(jìn)行半精加工，這主要是為了使粗加工后的殘余材料被去除。在進(jìn)行精加工切削的過(guò)程中，選擇半徑16 mm 的球刀以較高的速度切割，保障零件表面的粗糙程度。

加工鞋跟底面的加工工藝的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鞋跟底面加工工藝參數(shù)表

工序2：銑削鞋底表面和二級(jí)鞋跟配合孔，把工件調(diào)轉(zhuǎn)另一面裝夾，利用百分表找正，具體加工步驟如下。

（1）用D8 的平刀銑鞋面頂部跟外形，粗加工，刀長(zhǎng)75 mm。

（2）用D8 的平刀銑鞋的配合孔，粗加工。

（3）用D8 的平刀銑鞋的配合孔，精加工。

（4）用D8 的平刀銑鞋面外輪廓，精加工。

（5）用φ16R8 的球刀銑鞋面，精加工，刀長(zhǎng)75 mm。

進(jìn)行鞋跟的配合孔加工時(shí)，若加工條件允許，則需要盡量采取分層加工的辦法，避免加工的刀具對(duì)零件產(chǎn)生影響。加工過(guò)程中，使用轉(zhuǎn)速較高的主軸可以減少顫振發(fā)生，調(diào)節(jié)不同的刀具可以延伸刀具長(zhǎng)度，避開(kāi)切削的振動(dòng)頻率，最終提高零部件表面加工的品質(zhì)。

加工鞋底表面和二級(jí)鞋跟配合孔的加工工藝的主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 鞋底表面和二級(jí)鞋跟配合孔加工工藝參數(shù)表

工序3：線切割機(jī)床加工釋放開(kāi)關(guān)配合槽。

釋放開(kāi)關(guān)配合槽由于寬度為8 mm，又有圓弧倒角，故采用線切割的方式加工。在線切割機(jī)床上把工件定位、利用百分表調(diào)整工件，水平裝夾好，再穿絲，從配合孔中間穿過(guò)，對(duì)刀加工。

工序4：釋放開(kāi)關(guān)卡槽的配合孔加工。

釋放開(kāi)關(guān)卡槽的配合孔是6 mm×7 mm 的方孔，可采用臺(tái)鉆進(jìn)行加工，在臺(tái)鉆上把工件裝夾完成后，用φ4.8 的鉆頭鉆出尺寸接近的孔，再采用線切割的加工方式把余量加工完成。線切割加工過(guò)程中注意定位和百分表找正，保證加工精度。

3.2 二級(jí)鞋跟的加工

二級(jí)鞋跟因主要考慮與一級(jí)鞋跟的配合，所以正方形鞋跟配合部分的配合尺寸已經(jīng)調(diào)小0.1 mm，分別是33.9 mm 和34.9 mm，如圖3 所示。

圖3 二級(jí)鞋跟零件圖

二級(jí)鞋跟的加工步驟：

考慮到減少換面加工和裝夾的難度，使用38 mm×38 mm×43 mm 的毛坯材料，正確安裝在平口鉗上。其加工過(guò)程如下。

（1）用φ12 平刀的銑鞋板外形，粗加工，刀長(zhǎng)75 mm。

（2）用φ12 平刀的銑鞋板外形，精加工。

（3）用φ12 平刀的銑鞋跟空心孔，粗加工。

（4）用φ12 平刀的銑鞋跟空心孔，精加工。

（5）反面裝夾，利用百分表找正，測(cè)量鞋跟高度余量，用φ12 平刀銑鞋跟另外一面，直至高度達(dá)到圖紙所設(shè)置的尺寸。

（6）換面裝夾，用φ4R2 的球刀銑鞋跟兩側(cè)面的彈珠配合槽，精加工，刀長(zhǎng)75 mm。

3.3 其他零部件加工

其他主要零件有彈珠蓋板、釋放開(kāi)關(guān)和鞋跟蓋板，它們都是采用數(shù)控銑削的加工方式。由于這3 個(gè)零件在尺寸方面的要求并不高，采用的加工方法都是數(shù)控銑削，在這就不一一展開(kāi)敘述，零件圖如圖4-圖6所示。

圖4 彈珠蓋板零件圖

圖5 釋放開(kāi)關(guān)零件圖

圖6 鞋跟蓋板零件圖

輔助零件有彈簧和彈珠，卡位彈珠的直徑是5 mm，彈簧用圓柱形壓縮彈簧，均采用標(biāo)準(zhǔn)件，不需加工。

3.4 產(chǎn)品的檢驗(yàn)與調(diào)試

該產(chǎn)品經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的釋放鞋跟、承重和回收鞋跟的試驗(yàn)，不管是高跟還是低跟模式，鞋子一樣平穩(wěn)。鞋跟兩種模式切換方便快捷，平時(shí)不用二級(jí)鞋跟時(shí)，處于隱藏狀態(tài)，美觀大方；采用最優(yōu)結(jié)構(gòu)，輕量的設(shè)計(jì)理念，基本與普通鞋跟重量一致；機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，成本低廉，易于推廣。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)品因需要保持鞋跟的坡度在15°-35°的范圍，才能保持舒適度，所以鞋跟的伸縮范圍相對(duì)比較有限，如需調(diào)節(jié)更高的高度，須進(jìn)一步改良。

3.5 改進(jìn)措施

為了保證鞋跟的輕量化要求，可在橡膠鞋內(nèi)置金屬框架，質(zhì)量輕，強(qiáng)度大的304 不銹鋼為上選，這樣既可保持質(zhì)量輕便，又保證鞋跟使用的耐久性。由于鞋跟的長(zhǎng)度不同，而造成腳掌傾斜角度須調(diào)整的問(wèn)題，二級(jí)鞋跟的伸長(zhǎng)量不會(huì)太長(zhǎng)，所以對(duì)角度的影響不大，為完全消除影響，可使用前后鞋底用軟膠連接。

4 結(jié)束語(yǔ)

在進(jìn)行鞋跟模型的銑削加工過(guò)程中，需要在前期對(duì)工件進(jìn)行加工工藝的優(yōu)化，同時(shí)對(duì)加工的品質(zhì)進(jìn)行分析。為了使加工過(guò)程更加平穩(wěn)、加工品質(zhì)更高，需要根據(jù)加工的工藝路線改進(jìn)其工藝流程，使走刀的策略及加工的工序得到進(jìn)一步優(yōu)化，從而提高加工工藝系統(tǒng)的剛度，保障加工零件的質(zhì)量。本次加工不僅使用到數(shù)控銑加工，還結(jié)合了線切割，釋放開(kāi)關(guān)卡槽的配合方孔的精度需要保障，否則會(huì)影響伸縮鞋跟的穩(wěn)定性。

數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，讓實(shí)際生產(chǎn)不再局限于單工序加工，復(fù)雜繁瑣的工件也可靈活加工。實(shí)踐證明，只有不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)真收集設(shè)計(jì)資料，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)精神，掌握設(shè)計(jì)原則，才能合理擬出產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)方案，正確地制定制造工藝和裝配工藝。本論文將數(shù)控銑削等知識(shí)整體運(yùn)用在具體設(shè)計(jì)實(shí)踐中，具有一定的創(chuàng)新性。