三維棱錐結構的銑削工藝設計

周潤鋒

【摘 要】為優化某專用設備中對設備性能起到重要作用的關鍵零件加工工藝，進一步提高該零件加工一致性與合格率，保證某專用設備運行性能的穩定性和可靠性，通過查閱該關鍵件相關設計專利，對該關鍵件的成型方式進行了分析，得出了現行線切割加工工藝實現不了專利顯示該零件三維棱錐結構的加工，需要研究新的加工方式的結論，同時根據設計專利介紹及零件結構特點，總結出采用銑削加工工藝才能加工出該零件三維棱錐結構形狀。在此基礎上，根據該關鍵件設計圖紙的尺寸、結構，采用作圖法確定了組成三維棱錐結構的空間三個平面之間的夾角、交線、交點等位置關系，這樣在銑削加工時，只要將這三個平面，分別翻轉到加工位置即可實現加工，并使用UG軟件按計算出的位置關系繪制了三維棱錐圖，結果滿足工藝設計要求。然后根據計算結果及現有設備，設計了銑削用翻轉夾具及銑削平面的刀具，并在機床進行了初步加工實驗，加工出的零件滿足設計要求，并符合專利描述的形狀。綜上，通過研究確定了一種新的關鍵零件頭部銑削加工工藝方法，并研制了翻轉夾具和銑削刀具，通過加工實驗，基本確定了工藝參數，加工出的零件滿足設計要求。采用本工藝加工出的零件裝配到專用設備上，在2013年進行的專用設備性能試驗中取得了比較理想的結果。

【關鍵詞】銑削；工藝；三維棱錐；空間；平面；翻轉

0 引言

據相關專利資料顯示，為了提高某專用設備的性能，需要消除影響設備性能的關鍵件（以下均簡稱該零件為關鍵件）形成的脫體激波激起的低頻壓力波動，該零件應該具有最佳的空氣動力學結構。專利顯示關鍵件的形狀有類似機加工倒角的結構，是加工成型中面與面相交形成。而現行工藝采用線切割加工，加工時鉬絲與工件垂直，無法獲得帶倒角結構的形狀。

專利資料最后介紹該零件的形狀是由3個空間平面形成，只要合理選擇平面之間夾角和交線，就能組合成該形狀。進一步證明了關鍵件是由平面組合而成的三維空間形狀，而不是現工藝加工出二維曲面。

基于上述情況，有必要進行關鍵件新工藝的研究，以期獲得與專利類似的形狀。

1 工藝方案的確定

1.1 分析計算

為了能確定組成關鍵件3個平面之間的位置關系，需根據關鍵件圖紙設計要求分析、計算，確定3個平面之間空間位置關系，使之能組合成符合圖紙（投影視圖）要求的三維空間形狀，為具體工藝設計提供依據。

本分析主要采用做圖法計算出3個平面之間空間位置關系。首先根據設計圖紙繪制出二維關鍵件側面投影圖，如下圖1。關鍵件三維空間形狀就是由斜面A和兩個圓弧所在面B、C組成；然后繪制與斜面A垂直的投影圖，這樣斜面A投影成一個橢圓（其中斜面上的1、3點對應橢圓上的1'、3'點）；將關鍵件側面投影圖中R圓弧與斜面交點2（尺寸L位置）投影到橢圓上，與橢圓形成兩個交點2'和2''；分別連線橢圓頂點1'與交點2'和2''，形成兩條線1'2'和1'2''就是圓弧所在平面B、C與面A的交線，也就是加工形成圓弧面必須經過的線；測量線1'2'（或1'2''）與中軸線1'3'之間夾角為θ1/2。

其次還需要知道平面B、C與面A之間的夾角就能確定兩個面之間的位置關系，如下圖2。這樣需要在關鍵件側面投影圖上做一個輔助面D，面D經過關鍵件側面投影圖上圓弧最高點4（L1處）且與面A平行；同樣作面D的投影圖同樣生成一個橢圓；再作點4的投影與橢圓相交于點4'和點4''，再用點4''作到線1'2''（面A與面C相交線）的垂線，又已知點4到面A的距離L1，這樣就計算出面A與面B、C夾角約為θ2。

按上述計算的角度結果，使用UG三維軟件模擬了三個面相交產生的空間效果圖。如下圖3。

1.2 加工方式確定

經過上述計算，確定了三個平面的空間位置關系。由于在金屬加工中獲得平面的主要加工方法為銑削加工，同時銑削加工形成的平面與平面相交也能獲得類似倒角的結構，因此確定采用銑削加工方式。以面A和它的中軸線13為加工中翻轉的基準面和軸線。

2 詳細工藝設計

2.1 設備選型

為實現關鍵件形狀切割，機床需具備五軸系統，并且主軸轉速達萬轉以上。經過市場調研，購置了北京精雕有限公司生產的型號為SmartCNC500的五軸加工設備，其最高主軸轉速可達到28000rpm，能夠實現高轉速、低進給的加工方式，符合工藝要求。

2.2 工裝設計

工裝主要設計依據是：設計、工藝要求和設備條件（SmartCNC500五軸加工設備）。

夾具主要由定位套、回轉體組件等構成。其中定位套為主定位基準件，回轉體組件為與機床回轉工作臺連接件。機床回（下轉第8頁）（上接第9頁）轉工作臺帶動回轉體組件旋轉，使工件獲得需要的翻轉角度，因此設計必須保證定位套、回轉體組件的回轉軸線與前面分析的軸線15重合，即保證工件裝夾后，平面A與回轉軸線夾角為θ3。

2.3 刀具設計

關鍵件材料為紫銅（T2y），其硬度低，機械性能中的延伸率4-6%和斷面收縮率35-45%較大，在加工過程中易“粘刀”，產生毛刺，所以在選擇刀具的時候要考慮這一特性。

在眾多的銑削刀具中，鋸片銑刀因其特殊的結構特點，刀刃與工件接觸面積很小，切削力也較小，適用于此類加工[1]。具體刀具設計為30齒齒輪形狀，厚度0.8mm，以鎢鋼YT8作為材料，硬度值為HV1600。

3 工藝試驗

經過一系列的工藝試驗，基本確定了工藝參數，加工的零件滿足設計要求。

采用此種工藝加工的零件裝配到專用設備后，在后序進行的實驗中得到了比較理想的結果。

4 結論

（1）研究確定了關鍵件加工的工藝流程及加工方式；

（2）根據加工設備連接結構，關鍵件尺寸及空間角度分析計算結果，研制了加工專用定位工裝；

（3）根據關鍵件的加工要求，研制了平面銑削齒輪刀具；

（4）經過工藝試驗，確定了關鍵件平面銑削加工參數，加工出的零件滿足設計要求；

（5）采用此種工藝加工出的零件，在專用設備物理性能測試中得到了比較理想的性能數據。

【參考文獻】

[1]《銑工技術》編寫組.銑工技術[M].北京：國防工業出版社，1973：30-37.

[責任編輯：湯靜]