楔環(huán)車銑復(fù)合加工方法

王永軍，張東雷，任飛

山西平陽(yáng)重工機(jī)械有限責(zé)任公司 山西臨汾 043000

1 序言

楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）應(yīng)用于熱動(dòng)力航行器相鄰兩個(gè)艙段的連接，由一對(duì)帶楔形面的開(kāi)口圓環(huán)組成，安裝在兩個(gè)艙段殼體形成的矩形環(huán)形槽內(nèi)。當(dāng)兩個(gè)帶楔形面的開(kāi)口圓環(huán)做周向相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，軸向距離增加，從而產(chǎn)生軸向壓緊力，將兩個(gè)艙段緊密連接成一體。這種方式連接可靠、裝卸方便且結(jié)構(gòu)緊湊，不僅可以滿足連接強(qiáng)度的要求，而且連接外表面光滑，有利于減小阻力、降低噪聲，因此應(yīng)用廣泛。

圖1 楔環(huán)連接結(jié)構(gòu)

楔環(huán)最早是通過(guò)普通設(shè)備和鉗工手動(dòng)加工的，第一步由車床車削加工出內(nèi)、外徑，再用手鋸在端面開(kāi)出小于楔環(huán)開(kāi)口尺寸的進(jìn)退刀槽，按計(jì)算出的螺距選配掛輪，按加工螺紋的方法加工楔形面；第二步由鉗工修銼大、小端面，保證大端厚度尺寸以及總弧長(zhǎng)；第三步利用鏜床加工螺紋孔及銷孔。這種方法加工效率低，加工精度也不高。隨著數(shù)控設(shè)備的大量應(yīng)用，機(jī)械加工工藝不斷改進(jìn)，楔環(huán)的加工方法也有了更好的解決方案，即通過(guò)車銑復(fù)合一次裝夾完成所有加工內(nèi)容，既高效又精確[1]。

2 零件分析

楔環(huán)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）是一個(gè)帶楔形面的開(kāi)口圓環(huán)，圓環(huán)內(nèi)徑246mm，壁厚為，大端高度，楔形面傾角1.08°，徑向分布有M8×0.75-7H螺紋孔和銷孔各一個(gè)，楔環(huán)展開(kāi)后的幾何圖形呈直角三角形（見(jiàn)圖3），毛坯料是管料。在這里采用數(shù)控車銑復(fù)合機(jī)床一次裝夾完成所有加工要素[2]，加工時(shí)一次同時(shí)加工一對(duì)，既省時(shí)又省料。其中加工楔形面時(shí)有兩種加工方式：銑削模式和車銑復(fù)合模式[3]。在加工原理上兩種方式都是通過(guò)Z軸（直線軸）和C軸（回轉(zhuǎn)軸）聯(lián)動(dòng)進(jìn)行切削，X軸控制徑向切削深度實(shí)現(xiàn)加工；數(shù)控編程方式也基本相同，都采用宏指令編程或CAD/CAM編程，可以方便控制徑向（X軸）分層進(jìn)刀[4]。不同的是銑削模式利用銑刀加工，加工時(shí)存在順、逆銑和刀具剛性的影響，加工出的楔形面質(zhì)量不太好；而車銑復(fù)合模式則是利用車槽刀加工，加工效率高，表面質(zhì)量也好，因此本文著重介紹車銑復(fù)合加工方式。

圖2 楔環(huán)結(jié)構(gòu)

圖3 楔環(huán)尺寸示意

3 加工步驟

加工步驟如圖4所示。

圖4 加工步驟示意

1）裝夾毛坯，車端面、外圓及內(nèi)孔，保證φ246mm、，長(zhǎng)度大于兩個(gè)楔環(huán)的總高度與刀寬2mm的和。

3）銑削端面槽，保證展開(kāi)長(zhǎng)度（710±2）mm。

5）切斷，同時(shí)保證另一只楔環(huán)的大小端高度。

4 加工準(zhǔn)備

由于本零件重點(diǎn)是加工楔形面，其他部位加工只是常規(guī)操作，因此本文只重點(diǎn)介紹加工楔形面方法。

4.1 建立楔形面數(shù)學(xué)關(guān)系式

將楔環(huán)按中徑展開(kāi)，螺旋升角與導(dǎo)程和直徑的關(guān)系如圖5所示。

圖5 螺旋升角與導(dǎo)程和直徑的關(guān)系示意

可得出關(guān)系式

式中，θ是螺旋升角（°）；T是螺旋導(dǎo)程（mm）；D是楔環(huán)中徑（mm），即楔環(huán)大徑和楔環(huán)小徑的平均值。

也就是說(shuō)工件每旋轉(zhuǎn)一周，螺旋點(diǎn)的變化趨勢(shì)是沿周向（C軸）旋轉(zhuǎn)360°，沿軸向（Z軸）移動(dòng)T，因此可得出C、Z軸的聯(lián)動(dòng)關(guān)系式

式中，C為實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度（°）；Z為軸向?qū)嶋H移動(dòng)距離（mm）；T為工件每旋轉(zhuǎn)一周螺旋點(diǎn)軸向移動(dòng)距離（mm）。

4.2 坐標(biāo)值計(jì)算

假定以零件回轉(zhuǎn)中心和右端面的交點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)（見(jiàn)圖6），開(kāi)口中心為C0，那么，X軸起始點(diǎn)坐標(biāo)為楔環(huán)大徑，終點(diǎn)為楔環(huán)小徑；Z軸的終點(diǎn)坐標(biāo)由零件圖樣給定，起點(diǎn)坐標(biāo)值根據(jù)展開(kāi)圖關(guān)系式計(jì)算得出。比如，楔環(huán)小端的軸向高度為A1，大端的軸向高度為A2，楔環(huán)展開(kāi)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則A1＝A2－Ltanθ，即：Z軸的起始坐標(biāo)值為Z1＝－A1＝－（A2－Ltanθ），終點(diǎn)坐標(biāo)值為Z2＝－A2；C軸起點(diǎn)坐標(biāo)值初定為B1（開(kāi)口角度的一半），終點(diǎn)坐標(biāo)值可以用增量坐標(biāo)H來(lái)表示，H＝360°×螺旋軸向起始點(diǎn)與終止點(diǎn)的距離/T，即H＝360°×（A2－A1）/T。

圖6 坐標(biāo)系示意

一般來(lái)說(shuō)，加工時(shí)為了方便進(jìn)刀和退刀，通常都要加入一小段切入、切出距離，編程時(shí)也要把這段距離的坐標(biāo)值計(jì)算在內(nèi)，另外還需要考慮刀具的寬度。假定切入、切出距離在Z軸方向?yàn)镕，刀具寬度為E，此時(shí)，Z軸的起始坐標(biāo)值變?yōu)閆1＝－（A1－F）－E，終點(diǎn)坐標(biāo)值為Z2＝－（A2＋F）－E；相應(yīng)地，C軸起點(diǎn)坐標(biāo)值變化量為360°×F/T，此時(shí)C軸的起始坐標(biāo)值變?yōu)镃1＝B1－360°×F/T，終點(diǎn)坐標(biāo)值（增量坐標(biāo)H）變?yōu)镠＝360°×[（A2＋F）－（A1－F）]/T。

以右旋C、H值為負(fù)，左旋C、H值為正。根據(jù)以上結(jié)論，得出最終編程中，起點(diǎn)坐標(biāo)值為Z1＝－（A1－F）－E，C1＝－（B1－360°×F/T）。

終點(diǎn)坐標(biāo)值為Z2＝－（A2＋F）－E，H＝－360°×[（A2＋F）－（A1－F）]/T。

切入、切出距離在Z軸方向定為0.2 mm，刀具寬度為2 mm，將零件相關(guān)尺寸代入計(jì)算可得X1=254m ，X2=246mm，T＝3.1415×250×tan1.08°＝14.804（mm），A1＝14.4－710×tan1.08°＝1.015（m m），B1＝360°/2－[360°×710/（3.1415×250）]/2＝17.275°，Z1＝－（1.015－0.2）－2＝－2.815（mm），C1＝－（17.275－360°×0.2/14.804）＝－12.411°，Z2＝－（14.4＋0.2）－2=－16.6（mm），H＝－360°×[（14.4 ＋0.2）－（1.015－0.2）]/14.804＝－335.22°。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，得出最終編程的起點(diǎn)坐標(biāo)值為：Z1＝－2.815、C1＝－12.411，終點(diǎn)坐標(biāo)值為：Z2＝－16.6、H＝－335.22。

4.3 刀具準(zhǔn)備

準(zhǔn)備一把2mm寬的車槽刀，為了確保加工時(shí)刀具切削刃兩側(cè)面與楔形面不發(fā)生干涉和摩擦，槽刀切削刃兩側(cè)均刃磨有2°～3°的副后角。

4.4 根據(jù)計(jì)算坐標(biāo)值編程

根據(jù)計(jì)算得出的坐標(biāo)值，編寫(xiě)程序如下。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合具體加工實(shí)例，從加工思路、數(shù)學(xué)關(guān)系式建立、坐標(biāo)值計(jì)算、數(shù)控程序編制、刀具選用以及加工步驟安排等方面詳細(xì)介紹了一種楔環(huán)的車銑復(fù)合加工方法。該方法裝夾次數(shù)少、加工效率高且加工質(zhì)量好，為同類零件的加工提供了借鑒。