徑向局部圓弧工件的加工

余尚行

（廣東輕工職業技術學院，廣東 廣州 510000）

利用普通車床（或經濟型數控車床）徑向局部圓弧工件的多件加工，從根本上而言，是對機床使用領域與范疇的有效拓展。單純的機床圓弧加工工藝較為簡單，如果為圓弧加工設定“完成多件圓弧加工”情境，則增加了加工的難度，需要設計個性化的工裝夾具解決該問題。通過圖1所示的十字槽輪來說明此問題。本次十字槽輪加工使用的工件材料由某加工工廠提供，材料型號為45#鋼，該批零件生產批量不大，每30天的需求量約為2000件。

圖1 十字槽輪

圖2 定位、加工精度示意圖

接到該產品的加工任務后，在半精車的Φ22.5h8圓弧面后，擬定了幾種精加工十字槽輪圓弧方案：

方案一：加工目標——銑圓弧；加工途徑——聯合使用數控銑床與加工中心達到精加工目的。

方案二：加工目標——精車圓弧；加工途徑——設計專用夾具以車床為載體完成精加工。

在數控銑床和加工中心上，使用工件以?5.5h6外圓柱面與端面B、半精車的Φ22.5h8圓弧面定位基準，在工作臺上用?5h6心軸定位，校正心軸對零件后套入安裝工件，毎次只能加工一個零件，精度雖然可以保證，但效率太低，刀具磨損快、表面粗糙度不穩定，單件工時單價過高，加工成本太大，未有效發揮數控銑床和加工中心優勢。

對上述加工方案加以優化，本次方案優化目標為節約資金投入、延展機床功能范疇。因此，以普通車床為加工載體完成銑圓弧，縮短生產用時的同時減少零件加工的資金投入。

在多次探究實踐中總結經驗，就車間機床現有的CJK6132經濟型數控車床10臺、CD6140A普通車床20臺設備設計了圖3描述的零件夾具，該夾具每次可裝夾三個零件以供加工。

圖3 夾具體

1 加工工藝和夾具設計原理

1.1 加工工藝

圖4描述了十字槽輪零件精車圓弧?230+0.023mm的工序。加工前提為：四處?230+0.023mm圓弧、對角圓弧位置尺寸為?18±0.02mmmm、對稱度公差為0.02mm；0.01mm為?230+0.023mm軸線和?5.5h6軸線間的平行度允差。

圖5 花盤式車床夾具

圖4 十字槽輪精車工序簡圖

1.2 夾具設計思路

夾具安裝工件后由于等待加工圓弧R11.5的圓心位于主軸線，基準軸軸線相對主軸軸線只需平行偏離一個準確距離，見圖6。

“一次裝夾同時加工三個零件”的目標可通過在夾具盤圓周等密度排列三個定位孔的方式實現。利用定位銷2安裝在套4中，限位表面尺寸為?230-0.008，可保證圓弧表面的位置精度，如（圖7）所示。

圖6 具工件的尺寸

圖7 一次裝夾3個零件圓弧表面的位置示意圖

2 工件在夾具中的定位分析

對工件進行六個自由度約束才能有效進行基于夾具的圓弧加工工作。圖8描述了夾具體六個自由約束分布情況：定位套1、定位套4分別約束了3個自由度和1個自由度，定位套1是內孔表面與端面發揮約束作用；定位銷2有效約束2個定自由度。

（1）工件X移動、Y轉動、Z轉動自由度的約束效果歸功于定位套1內孔表面與端面定位形成的三個支承點。

（2）二個自由度Y移動、Z移動的約束效果歸功于定位銷2定位于套3形成的兩個支承點。

（3）工件自由度X轉動的約束效果歸功于定位銷2定位于套4形成的支承點。

圖8 夾具體六個自由約束分布情況

3 定位精度分析

必須使工件形位公差在定位誤差以上才能符合圓弧面與工件軸線的距離要求、圓弧面在工件軸線的對稱要求，而上述分析顯示工件存在定位誤差現象。

該夾具保證工件加工精度的措施有：

（1）?230+0.023mm圓弧尺寸由刀具調整來保證。

（2）尺寸?18±0.02mm及對稱度公差0.02mm，由定位套孔與工件采用5.5G5/h6配合精度，限位基準與安裝基面B的垂直度公差?0.005mm，與安裝基準A（?120H7孔軸線）的距離20.5+0.01010.002mm來保證。根據工藝加工標準：需要使用相同定位銷，工件4個圓弧保持在相同定位套中定位。

（3）夾具體上?120mm止口與過渡盤上?120mm凸臺采用過盈配合，避免夾具誤差通過加工過渡盤端面與凸臺來實現。

4 夾具體安裝工件數量計算

圖9 盤面可容納工件數量示意圖

基于設計方案工件軸線位置在夾具回轉盤的?200mm圓周上，夾具體中心和工件最大外圓的切線夾角（90°）決定了盤面容納工件數量（圖9），盤面容納工件數量上限計算方法為：

由此判斷夾具體盤面平均排列工件數量為三個。

5 受力分析和強度校核

5.1 受力分析

切削力干擾R11.5圓弧加工，對定位銷產生剪切作用，結合離心力作用導致定位銷發生形變。在忽略離心力干擾的情況下，要保障足夠大的夾緊力確保工件位置不發生改變。

5.2 強度校核

根據上述分析結果，剪應力和離心力是干擾定位銷變形的關鍵因素，主切削力是剪應力大小計算依據，強度設計要求定位銷的強度克服剪應力的作用。

（1）求取主切削力：主切削力近似計算公式顯示，主切削力值大部分程度取決于工件材料、切削深度、進給量。FZ=2000apf（出自勞動出版社96新版《車工工藝》第七章第三節），工件材料為45#鋼件、車削時選取ap=1mm、f=0.117mm/r，則：

FZ=2000×1×0.117=234（N）

（2）求取剪應力：根據定位銷軸直徑為?10mm、截面積A=πR2=3.14×52≈ 0.00785（M2）。τ=Q/A=FZ/A=234÷0.00785=29808.9172(Pa)≈ 29.809(Mpa)。

（3）強度校核：定位銷軸的材料為45#，材料許用應力為30Mpa。根據剪切強度條件τ=Q/A≤「τ」，τ≈29.809(Mpa)≤「τ」。因此得到定位銷軸滿足剪切強度要求的結論。

6 夾緊裝置和夾緊力

6.1 夾緊裝置

工件定位與夾緊相互協作，在工件定位完成的基礎上進行夾緊操作，通常以工件壓緊在定位元件的形式實現，如此一來，切削力、工件重力、離心力等因素不會使工件發生位置變化。圖10描述的夾緊方法為：利用壓板夾緊工件，使用人工螺栓二次夾緊。

圖10 工件夾緊方法示意圖

6.2 夾緊力

大小、方向、作用點是夾緊力確定的關鍵點，確定方法如下：

（1）大小：基于工件不對加工進程發生變化的規律，確定夾緊力大小應使工件定位端面與夾具盤定位套平面產生的擵擦力抵消主切削力作用。

（2）方向：等同于軸向切削力方向，和夾具體定位大平面保持垂直狀態。

（3）作用點：和工件定位支承點存在對應關系，在工件定位平面附近上發生作用。

7 夾具制作工藝

夾具體、定位裝置、夾緊裝置是夾具體的基本組成部分。主軸定位錐面是夾緊和定位工件的中介，也是連接夾具體—主軸法蘭盤、機床主軸—主軸法蘭盤的主要紐帶。圖11描述了該機制裝配圖。

夾具體加工工藝描述：

（2）在三爪卡盤上裝夾配車夾具體止口?120H7mm。

圖11 裝配圖

表1 普通機床與多工件機床的單件機動工時對比

表2 普通機床與多工件機床的單件耗電數據對比

表3 普通機床與多工件機床的刀具性價比數據對比

（3）確保修正后的止口端面的平面度誤差在0.01mm以下，實施高精度分度鉆削4個M12深22mm孔徑。

（4）對攻絲實施4個M12深22mm螺紋加工工藝。

（5）在車床主軸上固定夾具體，實施端面?180mm外圓及?20H7mm內孔的粗、精加工。

（6）以數控銑床為載體、以小端面為基準，確保大端面和大外圓校正后的誤差在0.01mm以下，實施3個M10的螺栓孔、3個?14±0.01mm和6個?16±0.01mm均布定位孔的粗、精加工，實現差異性定位孔軸線和基準面保持垂直狀態，同時表面糙度不能等于或超過R1.6。

（7）攻絲完成3個M10的螺栓螺紋。

（8）對工件倒角，除去多余毛刺，得到夾具體成品。

8 工件加工工藝

工件在完成外表面加工、R11.5粗、半精加工后，在以上夾具環境中等待“徑向局部圓弧表面加工”操作，同時R11.5圓弧表面轉換為?23mm的孔徑加工，精工件孔徑至?230+0.023mm，完成孔后可采用（內卡鉗測量、內徑百分表、專用塞規）檢驗孔徑，確保尺寸合格方可轉位插銷加工第二個圓弧。精車第二個圓弧面時則用已經車好的?230+0.023mm圓弧面為定位基面。

9 加工效率對比

夾具設計優勢在于提升零件加工效率，因此對比“本文提出的普通機床多工件同時加工方法”和“數控銑床（或加工中心）單工件加工方法”的生產效率，包括單件機動工時、單件耗電、刀具性價比的對比，數據如下：

（1）單件機動工時數據。（表1）

（2）單件耗電數據。（表2）

（3）刀具性價比數據。（表3）

對比結果顯示：由于加工方法與使用刀具差異，本文設計的多件同時加工方法的效率在數控銑床（或加工中心）單件加工方法效率之上。

10 結語

本文對徑向局部圓弧表面加工的研究集中在“工件裝夾定位”方面，完善的工件裝夾定位方案與科學的冷卻因素、刀具條件相互配合便可獲取良好的徑向局部圓弧表面加工效果。實踐結果顯示：本文所設計的工件加工夾具依托普通車床即可高效、高質量完成徑向局部圓弧表面零件的加工，值得推廣應用。