國際象棋“馬”數控車加工工藝實踐

王寶蝠

（電子科技大學中山學院，廣東中山，528402）

0 引言

特殊異形零件的車削加工必須采取相應的工藝措施，從而獲得穩定的零件加工精度和質量要求。常用的加工方法有：使用專用夾具、使用專用刀具、采用特殊的工藝手段、使用輔助裝置和改裝機床設備等。分析下圖1國際象棋“馬”的造型零件，用數控車來加工則必須運用到特殊的工藝手段和有針對性的工裝夾具輔助來加工完成。該零件主體由兩部分連接構成，其一、底座是常見的回轉體零件在數控車加工中較為簡單；其二、“馬”的造型部分則是在方板上的各幾何面中由多個不同軸線加工形面構成的造型。實際加工中在數控車上對該零件的局部工序上還運用到了銑削加工工藝。由此，相應的工序須使用專門的工裝、工藝措施來保障整體加工的進行。所以機床專用夾具的設計原則是應能可靠地保證零件的加工質量；夾具結構工藝性好、便于制造加工，生產效率高、成本低，操作方便工藝合理等。

圖1 國際象棋“馬”

1 加工工序流程

（1）按圖備方料（材料牌號為6061鋁板）。

（2）在數控車上運用銑削工藝加工兩側“馬鬃”并預留下步工序定位基準面。

（3）數控車車削“馬身”輪廓。

（4）數控車車削“馬嘴”部分。

（5）“馬鬃”形狀修飾（線切割）。

（6）加工連接孔。

（7）“馬眼”倒角修飾去毛刺、銳邊（鉗工）。

（8）底座連接裝配。

（9）表面氧化鋁（分色處理）。

2 工裝夾具的工藝特點及零件加工方案說明

2.1 “馬鬃”工裝夾具

2.1.1 工藝特點

加工刀具夾持在主軸上即刀具固定不動，被加工工件使用工裝夾具夾持并固定在刀架上；在數車上按“馬背”圖形輪廓尺寸進行軌跡編程，移動刀架運用銑削方法加工“馬鬃”側邊。銑削加工“馬鬃”另一側面時松開工裝上壓緊夾具的螺絲；抽取中心高度墊板后剛好調整工件與銑刀軸線高度位置。如（圖2-1b工件二次定位調整示圖A、B）工件二次定位可通過工裝導柱和夾具導套的間隙配合方式在允許的定位誤差范圍內進行上下調整。注意！二次定位時不能松動夾具上壓緊工件的螺絲，防止工件松動后造成的位置誤差。（銷、套間隙配合：）

圖2

2.1.2 加工方案

（1）三爪卡盤夾持φ10mm銑刀，保證銑刀夾持有效加工長度；（2）使用工裝夾具夾持定位板料；（3）打表找正工裝、工件基準邊與車床中心軸線的安裝垂直度；（4）主軸轉速1300r/min～1600r/min 刀具每分進給量F160～F220分粗、精銑削加工。

銑削刀具應選擇鍵槽銑刀，鍵槽銑刀是雙刃的，銑削時徑向力得到平衡不易向一側偏讓。尺寸穩定并且兩側直線度較好。在直徑相同的條件下，鍵槽銑刀的強度、剛度比銑刀好，銑削加工中不易產生“讓刀”現象加工軌跡較為穩定。在加工編程中應考慮銑刀切削角度確定走刀線路，根據工件尺寸要求合理運用順、逆銑走刀編程避免出現過切現象。

2.2 “馬身”工裝夾具

圖3 “馬身”裝夾加工示圖

2.2.1 工藝特點

夾具設計時使用計算機輔助設計軟件分析零件造型特征，計算并選取“馬身”軌跡回轉中心軸線。以工件回轉中心軸線作為基準解決加工軌跡編程。夾具設計思路通過定位工件回轉中心軸線進行工裝夾具設計制作。（如圖4編程零點設計示圖）

圖4 編程零點設計示圖

2.2.2 加工方案

（1）用自定心三爪卡盤夾持心軸。（2）百分表檢測心軸夾持精度。（3）裝夾定位工件。（4）主軸轉速 800r/min～1300r/min。刀具每分進給量F100～F160分粗精車。（5）左、右偏35°尖刀進刀編程加工。

加工鋁合金的情況視材料牌號及元素成份含量而定，如果含硅量小于12.1%，可以使用涂層硬質合金車削。通常從成本上考慮選擇普通硬質合金非涂層的并且有排削槽的刀片，既完成了加工，壽命還不錯，降低了加工成本。加工時的刀尖角和主偏角一起決定著刀具能否進入工件輪廓，因此，編程加工時應根據“馬身”輪廓的圖形位置分別采用左、右偏刀進刀編程的方式進行加工。實踐中工件和刀片主切削刃之間的間隙、副后刀面及其下半部分的后角至關重要。我們常常靠加工經驗估計、或者試切來判定刀具能否進入到工件及其相關的后角，這種方法很費時、費力，成本也很高。較理想的方式是通過計算機輔助作圖軟件和切削模擬軟件在計算機顯示屏上進行模擬切削而不需要在實際零件上進行。不僅可以獲得準確的編程數據，并為工裝的設計起到模擬測試的作用。

2.3 “馬嘴“工裝夾具

圖5 “馬嘴”裝夾加工示圖

2.3.1 工藝特點

使用計算機輔助設計軟件測繪“馬嘴”結構，計算旋轉工件的角度確定加工部位的回轉中心軸線，以“馬嘴”中心軸線作為夾具設計的基準參照，根據與軸線形成的角度選擇與“馬身”加工相同定位基準面進行定位裝夾，使工序定位基準面保持一致。

在考慮工裝剛性時必須保證加工工件旋轉時刀具有足夠的進刀空間防止刀具與工件或夾具產生加工干涉。

2.3.2 加工工藝

（1）用自定心三爪卡盤夾持心軸。（2）打表找正心軸夾持精度。（3）裝夾定位工件。（4）主軸轉速 800r/min～ 1300r/min，刀具每分進給量F100～F160分粗精車。

加工時從成本上考慮可以使用白鋼刀刀具，從效率上考慮則使用機夾式刀具。

個例中實際加工刀具用白鋼刀刀桿刃磨出內孔反向35°尖鏜刀，主軸正轉切削。若機床刀架行程足夠，也可以使用正向內孔35°尖鏜刀，主軸反轉切削。編程時注意工裝與加工部位形成的位置空間區域，設計合理的進刀、退刀編程線路。

數控車車削一個輪廓復雜的零件往往受加工位置的限制，最基本的要求是切削刀具能夠進入到零件及夾具廓形所在的區域，確保加工時刀具不產生加工干涉。因此必須選擇適當的刀片形狀、主偏角、副偏角、前角和后角。當選擇刀片形狀時，關鍵是應考慮刀片的切削強度。其中以圓刀片的強度最高。對非圓形刀片，刀尖角越大，其強度越高。但是實際加工中由于加工間隙角度等原因，仿形車削加工多數使用35°或55°的菱形刀片。此時刀桿的選擇實際上由所要求切入的軌跡區域來決定，如“馬嘴”的仿形車削加工則可選擇安裝菱形刀片的J型刀桿，這樣可形成較大的后角，刀具加工進入時對工裝夾具不產生直接干涉，適合在特殊輪廓加工區域中使用。

3 夾具定位分析

3.1 誤差分析

定位誤差的產生來源于定位造成的加工面相對其工序基準的位置誤差。在實際加工中當工裝夾具調整好以后，理論上加工面的固定位置是不變的，而定位誤差的產生主要是由于定位基準選取和工序基準的位置誤差形成。定位誤差有兩種表現方式，即基準位移誤差和基準不重合誤差。在使用專用夾具車削加工時產生位置誤差的主要原因有：（1）工件定位基準與設計基準位置誤差大。（2）夾具定位面與主軸回轉軸線的位置誤差大。（3）夾具制造、安裝精度低。（4）夾具剛度低。（5）車削時旋轉不平衡。（6）工件定位面精度低。根據誤差形成的原因對應修正的措施為：工件定位基準與設計基準應盡量重合或者提高二者的位置精度，認真調試修正夾具定位面與主軸回轉線的位置誤差并及時校正平衡，改進夾具設計，提高夾具的剛度和平衡度提高定位面精度等。

3.2 六點定位原理設計

如圖6所示的長方體工件，欲使其完全定位，可以設置六個固定點，工件的三個面分別與這些點保持接觸，在其底面設置三個不共線的點1、2、3（構成一個面），限制工件的三個自由度；側面設置兩個點4、5（成一條線），限制了兩個自由度；端面設置一個點6，限制 自由度。于是工件的六個自由度便都被限制了。這些用來限制工件自由度的固定點，稱為定位支承點，簡稱支承點。用合理分布的六個支承點限制工件六個自由度的法則，稱為六點定位原理。

圖6 長方體的六點定位

由于國際象棋“馬”的坯料特征為長方形體，因此“馬”各部位加工工裝定位點方案均參照六點定位原理進行設計制作。同時結合工件的零件特點利用零件的邊、角、面特征進行分點定位；以統一工序基準重合為原則，使之零件定位面與工裝定位面重合一致。

3.3 定位誤差的計算

計算定位誤差常用的方法是合成法。定位誤差應是基準不重合誤差與基準位移誤差的合成。因此，工件的定位誤差是基準位移誤差和基準不重合誤差之和，即：

式中：ΔD——工件的定位誤差，mm；

ΔY——基準位移誤差，mm；

ΔB——基準不重合誤差，mm；

計算時可先算出基準不重合誤差和基準位移誤差，然后將兩者合成。

例如“馬鬃”數車銑削工裝導柱與導套間隙配合定位誤差的計算。

已知條件：工裝定位孔φ10H7與定位銷φ10g6為間隙配合，“馬鬃”兩側對稱度要求不大于0.2mm。計算其定位誤差，由此分析定位量是否符合要求。

解：工件以孔為定位基準，與工序基準重合，基準不重合為0。定位時可能與定位銷任意邊接觸，因孔徑為φ10+0.035 0mm，定位銷直徑為φ10-0.012 -0.034mm，得

經計算所得定位誤差接近工件公差的1/3，因此，工裝定位設計方案可行。

4 結束語

國際象棋棋子造型制作是本校機加工數車專業模塊項目式教學內容之一。在機械加工數控車專業模塊教學中學生通過制作加工對專業知識產生了濃厚的學習興趣；由國際象棋“馬”的棋子加工操作任務中使學生對復雜零件的車削工藝處理、工裝夾具設計有更進一步的認識；對學習復雜零件、異形零件的加工操作、工裝夾具設計、工藝處理等知識起到啟發和引導的作用。