刘健民

摘要：文章通过对圆锥体工件加工工艺的加工特点的研究，针对V形块夹紧或三爪卡盘夹紧装置的不足，设计出一套多工位圆锥体球面铣削专用夹具，并对圆锥体球面利用该夹具安装以及采用数控铣床进行编程铣削加工的加工工艺、编程方法等进行分析。该夹具在实际应用中既保证了产品的加工精度，又提高了生产效率。

关键词：铣削两平行球面；数控铣床夹具；数控编程；数控加工；圆锥体工件 文献标识码：A

中图分类号：TG75 文章编号：1009-2374（2015）10-0014-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0860

1 概述

我校的实习车间具有半开放性，即车间在完成日常实习教学任务之外，还承接对外来料加工。圆锥体零件就是其中的一种，笔者通过对该工件图纸加工工序的分析，若按普通方法加工，既难保证加工精度，而且效率极低，无法如期交货，为此，为了提高生产效率，笔者设计出圆锥体加工工序的专用夹具。该零件所用的材料为45号钢的材料，属于大批量生产。

2 确定工艺分析

2.1 制定加工工艺

通过对该工件零件图及加工要求的分析，考虑到学校的生产设备，采用较为合理的零件加工工艺如表1所示：

表1

序号 加工形面 设备

（1） 下料 锯床

（2） 车圆锥、车外形 数控车床

（3） 铣削球面尺寸 数控铣床

（4） 钻、铰底孔 钻床

（5） 攻螺纹 钳工

（6） 去毛刺 钳工

2.2 由零件要求精度高的部位

（1）左端面圆锥大端尺寸；（2）右端面圆球尺寸；（3）孔的尺寸；（4）形位公差：对称度和垂直度要求；（5）锥度比值C=1∶10。

由加工工艺可知，该零件的外部尺寸由数控车床一次加工完成，而对于工序（3）中的铣削尺寸的球面，在装夹上有一定的难度，若采用V形块夹紧或三爪卡盘夹紧，则会给铣削加工带来困难。

用V形块夹紧或三爪卡盘夹紧铣削零件两侧面时，以圆锥体定位夹紧，虽可以夹持，但远离夹紧点接触中心，夹紧力不够，定位不好。若加大夹紧力，又容易将其夹紧表面损伤而报废；若以圆球面夹入V形块内加工，工件端面则定位有缺陷，造成加工误差，因而我对加工工艺过程作比较如表2所示：

表2

采用夹具 铣削加工 加工精度 定位 加工

质量 生产效率

V型块或三爪卡盘 困难 差 差 达不到要求 低（5～10件/小时）

圆弧面 方便可靠 达到要求 好 符合

要求 高（30～50件/小时）

由表中可知，通过比较验证：选用较为合理的夹具用圆弧面夹紧，既提高了加工质量，又极大地提高了生产效率，证明了该夹具能稳定可靠地保证工件的加工技术要求，大大减少了工作的盲目性。为此，我们设计了用圆弧面夹紧的多件铣夹具，通过实际使用既简单又实用，不但满足了工件夹紧、定位的要求，而且也简化了夹具的制造工艺，提高了加工的稳定性和加工精度，使用这套夹具不但减少了废品率，同时也大大地提高了机械加工的生产效率。

3 确定夹具的结构

3.1 由定位方案确定定位元件

3.1.1 自由度的限制见图1：

图1 特形定位件图

为了保证铣削球面中尺寸16mm和对称度的两平行面，采用左端圆锥体和右端球面定位，限制工件沿X轴、Z轴方向移动和Y轴方向转动；加工时为了方便地控制刀具的走刀位置，因而工作的六个自由度不需完全限制。由工艺分析可知，要使定位基准与设计基准相重合，所选定的基准应是左端端面、左端锥度C=1∶10和右端的球面。

3.1.2 确定定位元件：（1）特形定位件尺寸的确定；（2）底面用底板定位。

3.2 分析定位误差

球面尺寸的两侧面与对称度的定位误差。

工件以左端面尺寸圆锥体和右端尺寸的圆球面轴线定位，定位基准与设计基准重合，△jb=0，但特形定位件尺寸和零件配合时产生的最大间隙Xmax=ES-ei=0.04-（-0.023）=0.047mm此值约为对称度公差0.10mm的一半，将影响两侧的对称度要求，应采取措施减小误差：一是将特形定位件部分的制造精度提高达到IT6级（H6），二是将左端面尺寸的圆锥体和右端的球面加工精度提高（达到IT6级）。

3.3 夹具体的设计

夹具体选用Q235板料，板料基本厚度为20mm，并在夹具体底部两端设计出供T型槽用螺栓紧固夹具用的U型槽耳座。

3.3.1 夹具的结构及技术要求：（1）它由夹具体、特形定位块、夹紧块、夹紧螺钉等组成。夹具体安装在数控铣床工作台面上，并使两侧面与其工作台面平行，安装后，拧紧夹紧螺钉即可。（2）夹具的技术要求：保证各定位块在水平直线上；保证各定位块均可在槽内灵活移动；定位块中心孔与零件左端的圆锥体和右端的圆球面H6/j5的过渡配合；各定位块中心孔整体加工后需沿中心孔中心纵向切开。

3.3.2 夹具的定位与夹紧方法：将一组待加工的零件定位于各定位块间中心孔内，由于各定位块在槽内可自由移动，定位后扭紧夹紧螺钉，使各定位块产生挤压，从而实现夹紧的目的。

4 夹具的制作

（1）开料，材料牌号为Q235板材，材料牌号为45号钢；（2）加工，铣削各材料至图纸尺寸，加工丝杆到尺寸要求；（3）将竖板焊接到底板上，并保证垂直度要求；（4）在铣床上加工出U形耳，在刨床上精刨底板上、下底面及竖板内侧面，并达到尺寸及垂直度要求；（5）划线、加工各槽及孔、攻丝；（6）加工圆柱形定位销；（7）装配、校正。

5 数控铣削加工

5.1 加工顺序及走刀路线

本道工序主要就是铣削两个平行面，所使用的刀具主要以立铣刀为主，本着先粗后精为原则，因此零件的加工顺序为粗铣→精铣。数控铣床仅仅铣削两个平行面，因此机床反向间隙对加工的影响微乎其微，考虑到程序的简洁，采用之字型由左至右的走刀方式。

5.2 刀具的选择

零件材料为45#钢，没有热处理过程，硬度较小，切削性能较好。此外，零件只需加工的是两个平行面。因此，选用通用高速钢刀具即可满足加工要求。根据加工顺序及零件的特点确定刀具如表3所示：

表3

刀具编号 刀具规格、名称 加工位置

T01 Φ12立式铣刀 两平行面的粗加工

T02 Φ12立式铣刀 两平行面的精加工

5.3 切削用量的选择

依据机床的刚性、工件、刀具的切削性能以及加工效率等综合考虑来确定切削用量的选择。查询切削手册与刀具使用说明书结合实际生产经验，确定切削速度（Vc）、每齿进给量（fz）、切削深度（ap）。利用公式Vc=nπd/1000计算主轴转速n，利用公式F=nzfz计算进给速度。根据刀具使用说明书确定ap≈（0.2-0.3）D。如表4所示：

表4

工步内容 刀具编号 刀具规格 主轴转速 进给速度 背吃刀量

两平行面的

粗加工 T01 Φ12 800 300 1

两平行面的

精加工 T02 Φ12 1000 200 23

5.4 编程加工

5.4.1 编制程序分析。该零件加工特征比较简单，无需复杂的刀路计算，利用宏程序短小、易理解、易修改、对机床内存的占有量小的特点，采用手工编程的方式进行编程。

5.4.2 工件原点设定。图中为零件编程图样，编程原点设在夹具的中间。这样使得零件的定位基准与编程基准重合，避免了因零件尺寸的变化而带来的加工

误差。

5.4.3 零件程序：

{主程序}

粗加工，加工余量0.2mm、D01为6.2mm

AAA：

N10 R1=0 深度变量

N20 G90 G64 G54 G01 Z100 F3000 Z轴走到起始位置

N30 S800 M03 主轴旋转

N40 X0 Y0 检测工件零点

N50 X125 Y-25 走到下刀点位置

N60 Z3 刀具下到慢速下刀位置

N70 Z0 F500 M08 慢速下刀到表面零点

N80 AA：R1=R1-1 每次Z轴下刀的叠加值

N90 Z=R1 F500 Z轴下刀深度

N100 G41 X110 Y-8 D01 建立刀具半径左补偿

N110 X-110 F300 X移动位置

N120 Y8 Y移动位置

N130 X110 X移动位置

N140 Z3 F3000 Z移动位置

N150 G40 X125 Y-25 取消刀具补偿

N160 IF R1<25 GOTOB AA 当R1小于25时自动跳到AA继续加工

N170 GO1 Z100 F300 M09 提起主轴

N180 X0Y0 回到零点

N190 M05 主轴停止

N200 M30 程序停止

精加工，加工余量为0、D02为6mm

BBB：

N10 G90 G64 G54 G01 Z100 F3000 Z轴走到起始位置

N20 S1000 M03 主轴旋转

N30 X0 Y0 检测工件零点

N40 X125 Y-25 走到下刀点位置

N50 Z3 刀具下到慢速下刀位置

N60 Z-25 F500 M08 慢速下刀到表面零点

N70 G41 X110 Y-8 D02 建立刀具半径左补偿

N80 X-110 F200 X移动位置

N90 Y8 Y移动位置

N100 X110 X移动位置

N110 Z100 F3000 M09 Z轴提刀

N120 G40 X0 Y0 取消刀具补偿

N130 M05 主轴停止

N140 M30 程序停止

6 零件检测

经检测零件的加工误差在-0.1mm以内，完全满足加工要求。

7 应用

本夹具在应用中可对一组零件进行加工，极大地提高了生产效率，保证了产品质量，保证了加工时的位置精度，而且产品的同一性高，极大地降低因V形块夹紧或三爪卡盘夹紧铣削问题及因对刀误差等原因造成的产品报废，节约了原材料。同时，在实际生产中，操作也较方便，若增加多件铣夹具的定位块数目，其生产率还可以进一步提高。

参考文献

[1] 薛源顺.机床夹具设计[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2] 李庆寿.机床夹具设计[M].北京：机械工业出版社，1984.

[3] 成大先.机械设计手册（1～5卷）[M].北京：化学工业出版社，2008.

[4] 西门子系统数控编程手册[S].

[5] 劳动人事部培训就业局.铣工工艺学[M].北京：劳动人事出版社，1987.

[6] 李可成.机械制图[M].北京：劳动人事出版社，1990.

[7] 劳动人事部培训就业司.金属材料与热处理[M].北京：劳动人事出版社，1985.

[8] 东北重型机械学院，洛阳工学院，第一汽车制造厂职工大学.机床夹具设计手册（第二版）[M].上海：上海科技出版社，1991.

（责任编辑：周 琼）