關(guān)于鑄件復(fù)雜孔系的加工操作方法

楊　芳，劉國(guó)棟，伍　浩，彭　湘

(中國(guó)兵器江南工業(yè)集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411027)

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關(guān)于鑄件復(fù)雜孔系的加工操作方法

楊芳，劉國(guó)棟，伍浩，彭湘

(中國(guó)兵器江南工業(yè)集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411027)

摘要：關(guān)于鑄件復(fù)雜孔系的加工操作方法，主要是解決外形不規(guī)則的鑄造件在加工復(fù)雜孔系時(shí)定位、裝夾的問(wèn)題。通過(guò)斜楔與階梯銷的組合運(yùn)用，解決鑄件加工中的定位、裝夾問(wèn)題；通過(guò)UG軟件與宏程序的綜合應(yīng)用，使加工程序精準(zhǔn)且便于修改、調(diào)試，并能提高加工效率；通過(guò)選用硬質(zhì)合金粗銑刀，比原普通立銑刀提高效率20%以上，在加工臺(tái)階孔口部倒角時(shí)，由于孔的直徑尺寸相差不大，運(yùn)用組合倒角刀，能一次下刀銑出各個(gè)臺(tái)階孔口部的倒角，利用同一螺距的螺紋銑刀加工不同直徑的螺紋，通過(guò)對(duì)刀具的改進(jìn)及合理選用，大大提高了加工效率和加工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鑄件復(fù)雜孔系；加工；斜楔；數(shù)控編程；刀具

在導(dǎo)彈、航空航天及民用產(chǎn)品上有部分外形不規(guī)則，內(nèi)部帶不銹鋼鑲件的鑄造件，其在加工中存在工件難以定位、刀具成本高和程序復(fù)雜等難題。針對(duì)上述問(wèn)題，介紹了關(guān)于鑄件復(fù)雜孔系的加工操作方法。采用該方法能在保證零件加工質(zhì)量的前提下，有效降低生產(chǎn)成本，提高加工效率。

1零件結(jié)構(gòu)分析及技術(shù)原理

以某產(chǎn)品本體為例，零件為鋁合金壓鑄件，外形不規(guī)則，鑄件內(nèi)部預(yù)埋有不銹鋼管(見(jiàn)圖1和圖2)，且工件毛坯只有1個(gè)貫穿上、下管路的通孔，工件定位、裝夾和加工都較為困難。

圖1　零件毛坯圖　　　　　　圖2　零件成品圖

1.1零件加工工藝性分析

本體是某產(chǎn)品上重要的基準(zhǔn)零件，外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工面多，需加工多處空間傾斜平面及孔，尺寸精度要求高，幾何公差要求非常嚴(yán)格。產(chǎn)品毛坯為鑄造件，而且在6個(gè)螺紋孔中均預(yù)埋了不銹鋼管。由于加工部位由一硬一軟2種材料壓鑄而成，機(jī)械加工的工藝性能相差較大，因此，在刀具的選擇上應(yīng)加以考慮。加工中定位與裝夾較困難，在加工過(guò)程中零件易變形，難以保證加工精度，加工程序復(fù)雜，工藝路線長(zhǎng)，刀具成本高。

1.2工藝流程的設(shè)計(jì)

根據(jù)零件特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了如下加工工藝方案：壓力鑄造→粗銑凸緣端面，鏜φ12 mm的工藝孔→粗銑下端面，鏜φ12 mm的工藝孔→半精銑凸緣端→精銑下端面→精銑側(cè)面及倒角→鉆鏜側(cè)面孔和斜孔及圓周上各孔→精銑凸緣端及外圓→數(shù)鏜各臺(tái)階孔，攻螺紋→小孔攻螺紋，去毛刺→清洗→檢驗(yàn)，一共12道工序。

2工裝夾具的設(shè)計(jì)原理

圖3　工裝夾具示意圖

在半精銑凸緣端的工序中，應(yīng)選用工件的一條直邊作為定位基準(zhǔn)，但由于鑄件尺寸精度較差，在上一道工序中只能將直邊銑削見(jiàn)光，不能確定精確的尺寸，所以在夾具的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用兩斜楔定位，以確定工件的方向，再用1個(gè)階梯銷來(lái)確定工件在夾具上的準(zhǔn)確位置(見(jiàn)圖3)。

斜楔是夾具夾緊機(jī)構(gòu)的基本形式之一，是利用楔塊上的斜面直接或間接將工件定位夾緊的機(jī)構(gòu)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能產(chǎn)生增力作用等特點(diǎn)，一般用于楔塊夾緊機(jī)構(gòu)中。它在夾具、模具、自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)械上得到廣泛的應(yīng)用,工作時(shí)傳動(dòng)準(zhǔn)確、平穩(wěn)和無(wú)噪聲,具有自鎖、省力、速比大和容易改變構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)方向或方式等特點(diǎn),能將主動(dòng)斜楔的垂直運(yùn)動(dòng)(或水平運(yùn)動(dòng))轉(zhuǎn)化為從動(dòng)斜楔的水平運(yùn)動(dòng)(或垂直運(yùn)動(dòng))或傾斜運(yùn)動(dòng)，機(jī)床結(jié)構(gòu)中一些工作部件的夾緊裝置也常用到，但單斜楔夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊行程和增力作用受斜楔角度的大小影響較大；因此，其應(yīng)用受到限制[1]。在本體的工裝夾具上，斜楔的主要作用是確定零件的方向，夾具中的楔形小滑塊和大楔塊的斜角相同，運(yùn)用角度互補(bǔ)的原理，利用小楔塊上的腰槽，使小楔塊能在大楔塊上滑動(dòng)，以獲得楔塊定位邊到夾具中心不同的距離，但方向一致的效果。

斜楔機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析示意圖如圖4所示。

圖4　斜楔機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析示意圖

在圖4中，θ為斜楔角，小斜楔和大楔塊的斜角相同，隨著小斜楔在大楔塊上的滑動(dòng)，斜楔側(cè)面與夾具中心的距離L相應(yīng)發(fā)生變化，小斜楔和大楔塊接觸面的長(zhǎng)度L1增大，L值變小；當(dāng)小斜楔向左滑動(dòng)時(shí)，小斜楔和大楔塊接觸面的長(zhǎng)度L1縮短，L值則變大。同時(shí)，再用1個(gè)階梯銷來(lái)確定工件在夾具上的準(zhǔn)確位置。

大楔塊的斜面與夾具中心位置是固定的，則小斜楔側(cè)面與夾具中心的距離為：

L=S1-S2-AC

AC=L1tgθ

當(dāng)S1、S2及θ為定值時(shí)，L1增大，則L減小；反之，L1減小，則L增大。

工件以“兩面一孔”定位時(shí)的定位誤差分析如下：在夾具設(shè)計(jì)中,當(dāng)工件以定位基準(zhǔn)A(下平面)和定位基準(zhǔn)E(側(cè)平面)定位,分別能獲得三點(diǎn)和一點(diǎn)定位,再以定位孔的中心線B獲兩點(diǎn)定位時(shí),則工件在夾具中的位置完全確定，即六點(diǎn)定位，本文將這種定位方式簡(jiǎn)稱為“兩面一孔”定位。“兩面一孔”定位是以機(jī)械加工后獲得的精基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)定位的，因此，定位基準(zhǔn)E的表面不平整對(duì)基準(zhǔn)位置誤差的影響很小，在計(jì)算時(shí)可不考慮，而定位基準(zhǔn)A的基準(zhǔn)位置誤差取決于定位面，定位基準(zhǔn)B的基準(zhǔn)位置誤差則取決于定位孔與定位銷的精度，同時(shí)為提高定位精度，應(yīng)盡量減少定位孔。工件是以底面及底面一孔和側(cè)面一直邊定位，底面限制了1個(gè)平移和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，側(cè)面直邊(小斜楔側(cè)面)限制了1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，定位銷限制了2個(gè)平移，能夠保證工件在半精銑凸緣端的工序中的定位要求，在實(shí)際工件加工過(guò)程中，也完全保證了工件的加工制造精度。

由于在粗、精加工過(guò)程中，孔的直徑是不同的(粗加工孔都留有余量)，因此，夾具上所有的定位銷都采用階梯銷，與夾具配合端的銷直徑相同，與工件配合端的銷直徑根據(jù)定位孔的孔徑不同而大小不同，所有的工序都可以利用同一套夾具配合不同尺寸的定位銷來(lái)實(shí)現(xiàn)，節(jié)約了夾具的制造成本和制造周期。工件本身易變形，夾緊力的大小與夾緊位置的選擇很關(guān)鍵，而工件只有連接筋部分不加工，壓板無(wú)論設(shè)在何處，壓緊力的位置都沒(méi)有支承，易產(chǎn)生變形，因此，在夾具上連接筋部位設(shè)計(jì)了2個(gè)可調(diào)支承螺釘，以防止零件夾緊變形。

3刀具的選擇及運(yùn)用

本體主要加工部位有外形、兩端面、6個(gè)臺(tái)階孔、側(cè)面螺紋孔和斜孔以及圓周上各孔。

6個(gè)臺(tái)階螺紋孔中均預(yù)埋了不銹鋼管，由于加工部位有2種不同的材質(zhì)，加工的工藝性能相差較大，因此，在刀具的選擇、加工參數(shù)的確定方面均應(yīng)認(rèn)真考慮。粗加工時(shí)，選用了硬質(zhì)合金粗銑刀(俗稱玉米銑刀),它的強(qiáng)度較高，抗沖擊和抗振動(dòng)性較好，適合于粗銑長(zhǎng)、短切屑材料。刀齒經(jīng)過(guò)切向鏟磨后可正常斷屑。用此粗銑刀加工時(shí),所需切削力比用普通粗銑刀小。刀具加工參數(shù)對(duì)比表見(jiàn)表1。

表1　刀具加工參數(shù)對(duì)比表

由于不銹鋼熱導(dǎo)率很低，因此，應(yīng)防止切削熱大量滯留在切削刃上，為此應(yīng)盡可能采用間斷切削，以避免切削刃和切削面摩擦生熱，采用小切深以減輕刀具切削刃負(fù)荷。一般情況下，硬質(zhì)合金銑刀采用干切削，但在本體加工過(guò)程中由于是不銹鋼和鋁合金混合加工，為避免產(chǎn)生切屑瘤，切削時(shí)應(yīng)用冷卻液進(jìn)行充分冷卻，避免粘刀，并且適當(dāng)?shù)亟档颓邢魉俣取?/p>

圖5　成型銑刀

在精鏜臺(tái)階孔的工序中，工件中部應(yīng)加工4處φ15.5 mm的孔，但孔的兩端尺寸分別為φ11 mm和φ14.3 mm，常規(guī)刀具無(wú)法加工；因此，自制了1把刀柄為φ9 mm、切削刃處為φ12 mm、切削刃兩端均有30°倒角的成型銑刀。在加工臺(tái)階孔口部倒角時(shí)，由于孔的直徑尺寸相差不大，倒角時(shí)容易碰傷孔壁，運(yùn)用組合倒角刀，能一次下刀銑出各個(gè)臺(tái)階孔口部的倒角，大大提高了加工效率和加工質(zhì)量。成型銑刀如圖5所示。

本體兩端共有7處螺紋孔，傳統(tǒng)的螺紋加工方法是采用螺紋車刀車削螺紋或絲錐、板牙手工攻螺紋及套扣。隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，尤其是三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工系統(tǒng)的出現(xiàn)，使更先進(jìn)的螺紋加工方式——螺紋銑削得以實(shí)現(xiàn)。螺紋銑削加工與傳統(tǒng)螺紋加工方式相比，在加工精度、加工效率方面具有極大優(yōu)勢(shì)，且加工時(shí)不受螺紋結(jié)構(gòu)(外螺紋、內(nèi)螺紋)和螺紋旋向(左旋、右旋)的限制，如1把螺紋銑刀可加工多種不同旋向的內(nèi)、外螺紋，對(duì)于不允許有過(guò)渡扣或退刀槽結(jié)構(gòu)的螺紋，采用傳統(tǒng)的車削方法或絲錐、板牙很難加工，但采用數(shù)控銑削卻十分容易實(shí)現(xiàn)；同一螺距的螺紋銑刀可加工不同直徑的螺紋；數(shù)控螺紋銑削能高精度地加工深孔螺紋、大直徑螺紋和大螺距螺紋等；此外，螺紋銑刀的耐用度是絲錐的十多倍甚至數(shù)十倍，而且在數(shù)控銑削螺紋過(guò)程中，對(duì)螺紋直徑尺寸的調(diào)整極為方便，這是采用絲錐、板牙難以做到的。由于螺紋銑削加工的諸多優(yōu)勢(shì)，目前發(fā)達(dá)國(guó)家的大批量螺紋生產(chǎn)已較廣泛地采用了銑削工藝。筆者選用了機(jī)夾螺紋銑刀在加工中心上一次加工完成，避免了使用絲攻加工時(shí)的讓刀現(xiàn)象，從而大大提高了螺紋尺寸精度、位置精度及加工效率。

圖6　螺紋銑刀

螺紋銑削是在三軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)床(加工中心)上完成的。在X、Y軸走G03/G02一圈時(shí)，Z軸同步移動(dòng)1個(gè)螺距P的量。螺紋銑刀如圖6所示。

在進(jìn)刀方式的選擇上，選用螺旋下刀的方式，由于加工區(qū)域較小，并且是用側(cè)刃加工，采用螺旋下刀方式能較好地排屑和散熱，同時(shí)刀具和工件變形都較小。

4加工程序的編制

由于本體外形復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)的計(jì)算十分繁瑣，所以應(yīng)用UG軟件進(jìn)行建模和程序編制，能大大提高編程的準(zhǔn)確性和效率，并可應(yīng)用軟件的模擬功能，精確地避開(kāi)壓板的位置。在此基礎(chǔ)上，使用刀具半徑補(bǔ)償功能，可以根據(jù)刀具磨損的情況，隨時(shí)精確調(diào)整各處尺寸。利用主程序調(diào)用子程序，一方面便于程序的檢查，另一方面能減少由于程序太多而引起的誤操作。在本體加工過(guò)程中還運(yùn)用了宏程序，將有規(guī)律的形狀或尺寸用最短的程序段表示出來(lái)，使之具有極好的易讀性和易修改性，編寫出的程序非常簡(jiǎn)潔，通用性極強(qiáng)。

主要加工程序如下：

O0199(AKD-9BENTI) (加工主程序)

G54G90G40G80

M01

M98P200(調(diào)用子程序O200，引鉆各底孔)

M01

M98P178(調(diào)用子程序O178，并利用子程序O178調(diào)用二級(jí)子程序O179,粗銑各孔)

M01

M98P201(調(diào)用子程序O201，半精銑各孔)

M01

M98P208(調(diào)用子程序O208，精銑零件外形)

M01

M98P202(調(diào)用子程序O202，銑退刀槽)

M01

M98P207(調(diào)用子程序O207，精銑各螺紋底孔)

M01

M98P206(調(diào)用子程序O206，精鏜各孔)

M01

M98P203(調(diào)用子程序O203，各孔口部倒角)

M01

M98P204(調(diào)用子程序O204，孔口部倒角)

M01

M98P205(調(diào)用子程序O205，各螺紋孔攻絲)

M30

%

O0200(AKD-9BENTI)(引鉆各孔)

G40G80G90G54

T01M06

(T01,L=50.,D=3.)

G0X0.0Y46.S2600M13

G43Z103.5H01

G98G82X0.0Y46.Z35.R43.F50

G80

G0Z103.5

G0X-22.Y38.105S2600M13

G82X-22.Y38.105Z6.R12F100.

G80

G0Z103.5

G0X-47.273Y26.204S2600M13

G82X-47.273Y26.204Z8.R15.F100.

G80

G0Z103.5

G0X-47.273Y-26.204S2600M13

G82X-47.273Y-26.204Z19.R26.F100.

X47.273

Y26.204

G80

G0Z103.5

M15

M01

T02M06

(T02,L=50.,D=8.)

G0X0.0Y46.S1300M13

G43Z103.5H2

G98G83X0.0Y46.Z7R43.Q1F100.

G80

G0Z103.5

M15

M01

T20M06

(D=10-@HUOJINZHAN)

G0X-22.Y38.105S1000M13

G43Z103.5H20

G98G83X-22.Y38.105Z5.R10Q0.3F50

G80

G0Z103.5

G0X-47.273Y26.204

G98G83X-47.273Y26.204Z-3R15.Q0.3F30

G80

G0Z103.5

G0X-47.273Y-26.204S1000M13

G83X-47.273Y-26.204Z-3R26.Q0.3F50

X47.273

Y26.204

G80

G0Z103.5

M15

M01

T04M06

(T04,L=50.,D=10.8)

G0X0.0Y46.S1200M13

G43Z103.5H04

G98G83X0.0Y46.Z28.9Q0.5R43.F60.

G80

G0Z103.5

S1000M13

G0X-47.273Y26.204

G98G83X-47.273Y26.204Z-3R15.Q0.3F60

G80

G0Z103.5

G0X-47.273Y-26.204S1000M13

G83X-47.273Y-26.204Z-3R26.Q0.3F60

X47.273

Y26.204

G80

G0Z103.5

M15

M01

M99

%

O0178(AKD-9BENTI)(半精銑各孔)

M06T17

(D=10)

G54G90X-22.Y38.105

S2000M13

G43H17Z100.

G52X-22.Y38.105(利用局部坐標(biāo)系編程，便于程序節(jié)點(diǎn)的計(jì)算)

M98P179(調(diào)用二級(jí)子程序)

G52X-47.273Y26.204

M98P179

G52X-47.273Y-26.204

M98P179

G52X47.273Y-26.204

M98P179

G52X47.273Y26.204

M98P179

G52X-22.Y38.105

M98P180

G52X-22.Y38.105

M98P181

G52X0Y46

M98P182

G0Z100

G52X0Y0

M15

M99

%

O0179(AKD-9BENTI)(銑孔宏程序 二級(jí)子程序)

G0X0Y0

1=13.8(孔的直徑)

2=6 (孔的最終深度)

3=10(刀具直徑)

4=51(孔的起始深度)

17=1. (每次進(jìn)刀深度)

5=[1-3]/2

X5

Z52

G01Z[4-1]F100.

WHILE[4GT2]DO1 (條件表達(dá)式，當(dāng)深度大于6mm時(shí)，程序重復(fù)運(yùn)行)

4=4-17(每次進(jìn)刀深度)

G02I-5Z4 (銑園)

END1

G02I-5Z2

G01X0

G0Z100.

M99

%

(以下程序省略)

5結(jié)語(yǔ)

本文所述該方法主要解決部分外形不規(guī)則，定位邊與工件定位中心尺寸不一致時(shí)難定位、難裝夾的問(wèn)題，以及各道工序定位孔直徑大小不一時(shí)，如何利用同一套夾具進(jìn)行裝夾加工的問(wèn)題。在數(shù)控加工時(shí)，靈活運(yùn)用CAD/CAM軟件與宏程序的技巧，可針對(duì)不同情況合理選擇刀具。通過(guò)選擇合適的刀具，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓ぱb夾具，編制合理實(shí)用的加工程序等措施，最后加工出完全符合設(shè)計(jì)圖樣的產(chǎn)品，零件合格率達(dá)到95%以上。目前，該方法已應(yīng)用在中國(guó)兵器江南工業(yè)集團(tuán)有限公司兩大主導(dǎo)軍品的本體加工上，也適用于其他帶不銹鋼鑲件、外形不規(guī)則零件的加工。應(yīng)掌握工件裝夾定位原理、機(jī)械加工原理及數(shù)控操作等關(guān)鍵技能。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳拓.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

責(zé)任編輯鄭練

The Machining Method of the Complex Holes of Castings

YANG Fang, LIU Guodong, WU Hao, PENG Xiang

(Chinese Weapon Jiangnan Industry Group Limited Company, Xiangtan 411027, China)

Abstract：The machining method of the complex holes of castings is mainly used to solve the problems of castings with irregular configuration, which are difficult to locate, clamp and machine during machining the complex holes. The application of oblique wedges and ladder pins solves the problem of location. And the comprehensive application of UG software and macro-program makes the machining program lines more accurate and easy to modify, and improves the machining efficiency as well. Moreover, the machining efficiency and quality are greatly enhanced by improvement and reasonable selection of the cutting tools.

Key words:the complex holes of castings, machining, location of the oblique wedges, NC programming, cutting tools

收稿日期：2015-07-28

作者簡(jiǎn)介：楊芳(1970-)，女，高級(jí)技師，國(guó)務(wù)院特殊津貼專家，主要從事數(shù)控加工技術(shù)及操作等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TH 164

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A