多圓弧面產品的加工方案

王化清，孫玉郎，高文

中車戚墅堰機車有限公司 江蘇常州 213000

1 序言

擺塊產品如圖1所示，它的上表面由3段圓弧面構成，并且3段圓弧面的圓心分別在不同的位置，R140mm圓弧的圓心在正圓（基準圓）的中心線上，而兩個R142mm圓弧的圓心則分別對稱于正圓心中心線的兩側，呈鏡像對稱分布。擺塊底部還有兩個鉸制螺紋孔，用于產品的安裝。要完成該擺塊3段圓弧面的加工有多種加工方案，可以考慮采用車銑加工中心加工，也可以采用普通車床進行加工，還可以采用立式加工中心等進行加工，那么，在滿足產品圖樣加工要求的前提下，哪種加工方法最佳？值得探討。

圖1 擺塊產品

筆者在本文中，就以前兩種加工方案為例，通過以下分析進行對比，僅供參考。

2 車銑加工中心加工方案

2.1 車銑加工中心加工工藝分析

設計專用夾具，一次對稱裝夾2件擺塊產品，完成3段圓弧面的加工。首先針對R140mm圓弧面，可以通過車削方式加工，兩側R142mm偏心圓弧面可以通過隨動銑削方式加工。

2.2 產品裝夾方案

用車銑加工中心加工產品，因一般采用一端卡爪夾持、另一端用中心頂尖定位支承的裝夾方式，故需要設計一套框架結構件形式的專用夾具，如圖2所示。加工產品擺塊對稱裝夾在夾具的定位平面上，產品裝夾后R140mm圓弧中心與機床的回轉中心重合，以使得整體的動平衡性較好。

圖2 車銑加工中心專用夾具

2.3 產品圓弧面的加工

（1）車削R140mm圓弧面 產品圍繞設備回轉中心旋轉，刀具進行軸向進給，兩個運動的軌跡可形成R140mm的正圓弧面。

（2）銑削R142mm偏心圓弧面 可以借助銑削偏心圓的功能指令來實現。

2.4 刀具的選擇

采用銑削的方式加工圓弧面實際上是通過銑削無數個細長的小平面來擬合成整個圓弧面，即以直代曲，故要求銑刀底刃平，且側刃和底刃都能參與銑削，這樣才能使加工面形成平面度和直線度較好的細長狀小矩形平面，因此選擇圖3所示的三面刃盤銑刀。

圖3 三面刃盤銑刀

2.5 銑削加工原理及其相關參數的確定

由于銑刀刀片處在刀盤圓周上，中間沒有刀片，故刀盤不能對中銑削，只能采取偏心銑削的狀態，如圖4所示。

圖4 偏心銑削示意

偏心銑削涉及有效銑削寬度L的技術參數如圖5所示，該寬度跟刀盤半徑R、偏心距H有關，可以通過三角函數計算得到此參數。為保證有效銑削寬度最大，一般選擇刃口的后端處于豎直方向的軸線上時來確定偏心距。

圖5 偏心距相關參數示意

銑削方式：如圖6、圖7所示，以隨動銑削左側R142mm圓弧為例，銑刀在整個加工過程中始終處于豎直方向，一般選擇工件上圓弧的起始點旋轉到與銑刀相切位置時，為銑削起始位置。整個銑削過程中銑刀始終是和圓弧面相切的，待圓弧的結束點與銑刀相切時，即是銑削的結束位置。這兩個位置一般通過CAD作圖法畫出，在圖中可方便標出此時X軸、Y軸、C軸的坐標，便于手工編程。右側R142mm圓弧加工類似，只需改變銑刀偏移方向和工件旋轉方向。

圖6 銑削初始位置示意

圖7 銑削結束位置示意

2.6 車銑加工方案的優缺點

優點：一次裝夾可完成產品3段圓弧的加工，節省了裝夾輔助時間，所需夾具結構也比較簡單，操作方便。

缺點：由于產品長度較長，有效銑削寬度遠小于工件總長，因此軸向要多刀銑削。隨動銑削由于底刃和側刃同時參與銑削，切削力較大，一般要求切削深度也不能太大，通常采用多層銑削的方式，這也意味著針對該產品，在軸向方向要多刀切入銑削，在徑向方向，要分層進行銑削，左右圓弧也要單獨銑削，顯然，對加工效率會有很大影響。此外，銑削加工圓弧面時的表面粗糙度和圓弧的輪廓度相對車削加工相差較多，并且在銑削時，會存在較多的微小接刀痕。

3 普通車床加工方案

3.1 普通車床加工工藝分析

設計回轉中心可變的柔性夾具，在夾具上一次對稱裝夾2件加工產品，夾具前端用自定心卡盤夾持，夾具后端用強力頂尖定位支承，先完成中間R140mm圓弧面的加工，再由夾具通過二次回轉中心的轉換形成左偏心距和右偏心距，從而分別將產品的右邊R142mm圓弧面和左邊R142mm圓弧面完成加工，車削加工軌跡如圖8所示。

圖8 產品車削加工軌跡

3.2 車削柔性夾具的設計原理

擺塊產品柔性夾具的結構設計如圖9所示，夾具體設計為焊接框架結構件形式，夾具體的上支承板和下支承板作為加工產品的定位平面，可以分別安裝2件加工產品，再用2個鉸制孔螺栓通過支承板從底部將產品定位夾緊，夾具體中間是空腔，以便于從前后二側操作鉸制孔螺栓及手輪，夾具體的右側面中心設置有一個定位孔E1，夾具體的左側面中心設置有一個定位孔E2，定位孔E1與定位孔E2在同一軸心線上。右端件如圖10所示，端面有左右2只偏心距為10mm的頂尖中心孔，其作用是用于夾具右端偏心距的轉換，右端件平面上還設置有定位孔P，用于其安裝在夾具體的右側面定位孔E1中時的定位。左端件如圖11所示，F圓盤與M圓柱偏心設置，偏心距為10mm，F圓盤上還設置有F1、F2兩只定位孔，左端件用于夾具左端偏心距的轉換。

圖9 擺塊產品柔性夾具的結構設計

圖10 右端件

圖11 左端件

3.3 車削柔性夾具的操作方法

（1）R140mm圓弧面的切削加工操作 具體 如下。

1） 將2件加工產品分別用鉸制孔螺栓裝夾在夾具體的上支承板和下支承板的定位面上。

2）將自定心卡盤夾持外圓E。拆去右端件；車床尾座強力頂尖頂在夾具體右側面的中心孔E1中；夾具以O為中心回轉時，對R140mm圓弧面進行車削加工。

（2）右側R142mm圓弧面的切削加工操作 具體如下。

1）把夾具從機床上取下，將右端件插入中心孔E1內，并將P孔也同時套入夾具體的定位銷，并用手輪5（見圖9）將其夾緊。

2）將夾具左端的伸縮式定位銷插入F1孔中定位，再用手輪3將其夾緊，此時，外圓F的中心與右端件上F1孔的中心在同一中心線O1上，通過上述轉換操作，中心O1相對于中心O左側偏心距為10mm。

3）完成上述操作后，把夾具吊至機床上，用自定心卡盤夾持外圓F。車床尾座強力頂尖頂在右端件的F1中心孔內；夾具以O1為中心旋轉，對右側R142mm圓弧面進行車削加工。

（3）左側R142mm圓弧面的切削加工操作 具體如下。

1）把夾具從機床上取下，松開手輪3，拔出伸縮式定位銷，將左端件回轉180°，將伸縮式定位銷插入F2孔中定位，再用手輪3將其夾緊，此時外圓F的中心與右端件上的F2孔的中心在同一中心線O2上，通過上述轉換操作，中心O2相對于中心O右側偏心距為10mm。

2）把夾具吊至機床上，用自定心卡盤夾持外圓F。車床尾座強力頂尖頂在右端件的F2中心孔內；夾具以O2為中心旋轉，對左側R142mm圓弧面進行車削加工。

（4）完成加工工件的拆卸 松開鉸制孔螺栓，分別將加工完成的2件工件從夾具上拆下。

3.4 建議

根據產品加工批量的大小，為了提高加工效率，減少裝備在調整偏心距操作時的輔助作業時間，生產現場實際應用時，建議本夾具可以制作2套。當機床上的1號夾具在加工工件的R140mm圓弧面時，可將2號夾具進行上述3.3中（2）中2）的操作，為工件右側R142mm圓弧面的加工做準備，待1號夾具上產品中間的R140mm圓弧面加工完成后，1號夾具連同產品一起取下，再將2號夾具連同產品安裝在機床上，進行產品R142mm圓弧面的加工，即兩套工藝裝備可交替使用。

4 結束語

通過柔性工藝裝備在普通車床上的應用，可有效擴大機床的加工范圍，且取得了較好的經濟效益；同時，通過這類的實踐和創新，其原理也可在類似的弓形件（凸輪、擺輪等）的機械加工方面得到更廣泛的應用，還可嘗試著用于具有多個不同半徑的不對稱圓弧面工件的加工。經過筆者的實踐，其圓弧加工面的表面粗糙度可以達到1.6μm等級。以此類推，采用本文裝備的設計結構，也可在磨削裝備上進行推廣。

目前，雖然由于機械加工設備多種功能的成功開發及各類刀具的開發應用，已替代了原來要求用工藝裝備來保證的部分工藝方法，但隨著人們對個性化的要求，產品的批量化生產將會逐步減少，而小批量多品種的各類產品將會越來越多。實踐證明，工藝裝備的研發和創新是確保產品質量和解決工藝難題不可缺少的重要部分。