王曉明 韓 江 張魁榜

(①滁州職業(yè)技術學院，安徽滁州239000；②合肥工業(yè)大學，安徽 合肥230009)

高鐵列車制動缸底座在結構類型上屬于外形不規(guī) 則的異形支架類工件[1],整體剛性較差,在裝夾過程中容易出現(xiàn)變形,在加工中容易出現(xiàn)震動.工件毛坯為模鍛件,所有型面都需要加工,即使在五軸聯(lián)動的加工中心上也無法一次完成所有面的加工,同時工件毛坯上也無工藝凸臺或工藝凸耳等輔助基準,必須經(jīng)過多次裝夾,因此基準選擇和夾具設計是此工件加工工藝設計的一個重要方面[2].每次重新裝夾后要正確選擇加工坐標系G54的位置,方便對刀,工件具有多種不同類型的加工面,針對這些面必須進行合理的刀具切削路徑的設計,這是此工件加工工藝設計的另一個重要方面.

1 工件加工工藝分析

1.1 工件結構及尺寸分析

制動缸底座結構如圖1所示.工件需加工的面多,加工面的類型復雜,有水平面、豎直面、斜面、凸圓弧面、凹圓弧面、陡峭曲面、非陡峭曲面等,針對不同類型加工面需選擇合適的刀具路徑.毛坯采用模鍛件,單側(cè)余量3 mm左右,最大切削深度118.5 mm,也就是內(nèi)側(cè)面的高度,最小凹圓弧半徑10 mm.

1.2 工件材料分析

工件材料為Q345D號鋼,屬于普通碳素結構鋼,塑性和焊接性良好,能夠承受動載荷沖擊,但硬度不高,一般在150 HB左右,在加工中容易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象,所以須加工冷卻液,為了保證切削效率,刀具材料采用鎢鈷硬質(zhì)合金.

1.3 工件精度分析

2 工件數(shù)控加工工藝設計

2.1 機床選擇

根據(jù)工件結構特點,選擇三軸聯(lián)動立式加工中心.

2.2 刀具及切削用量選擇

為了節(jié)省刀具成本,同時結合工件尺寸[3],刀具選擇如表1所示.

根據(jù)刀具和工件材料選擇切削用量如表2所示.

表1 刀具表

表2 切削用量

2.3 裝夾方案設計

(1)精基準選擇

由于毛坯為模鍛件,雖然各面均較為平整,但都只能作為粗基準,所以必須先選擇好精基準,選擇圖1中的B面為粗基準,加工A面,再以A面作為后續(xù)工序的精基準.

(2)第一次裝夾

裝夾方式:工件B面向下,B面用墊塊墊實,目的是減小工件加工中的震動,用平口鉗夾C、D兩個面,如圖2所示.在裝夾前,一定檢查、修整毛坯的B、C、D面,盡量使其平整,從而保證裝夾的穩(wěn)定可靠[4].

(3)第二次裝夾

裝夾方式:以A面為基準,放置在工裝板上,X、Y方向采用兩個定位銷定位,Z向用壓板螺栓在B面壓緊,如圖3所示.

(4)第三次裝夾

裝夾方式:以A面為基準用平口鉗裝夾,A面用墊塊墊實,同時在U形臂處用兩個可調(diào)支撐塊支撐,減小工件加工中的震動,如圖4所示.

(5)第四次裝夾

裝夾方式:以A面為基準放置在工裝板上,X、Y方向采用兩個定位銷定位,Z向用壓板螺栓固定,如圖5所示.

(6)第五次裝夾

裝夾方式:以U形臂上表面為基準用墊塊墊實,采用平口鉗裝夾,中間必須用活頂鎬支撐,因為U形臂上、下兩個面加工后都去除了3 mm左右的材料,這樣就使得U形連接臂的整體剛性減弱,由于平口鉗的夾緊力的作用使得在加工過程中會出現(xiàn)工件松動、裝夾不穩(wěn)定的現(xiàn)象,如圖6所示.

(7)第六次裝夾

裝夾方式:根據(jù)工件尺寸,為了提高加工效率,設計成在一塊工裝板上背靠背裝夾兩個工件.以A面為基準放置在工裝板上,X、Z向采用定位銷定位,Y向用壓板螺栓固定.如圖7所示.

3 工序劃分及刀具路徑設計

3.1 工序安排

根據(jù)工件結構特點和夾具設計方案將加工工序安排如表3所示[5].

表3 加工工序

3.2 加工精基準A面

如圖8所示:銑A面,高度從A面到B面(即墊塊上表面)要保證尺寸77±0.5 mm.加工方式為面銑,走刀方式為往復.

因為目前的工件所有面均為毛坯面,各個面上都有3 mm左右的加工余量,所以在對刀找正時一定要注意將加工坐標系進行偏置.

G54設置:X向選擇U形臂外側(cè)毛坯豎直面為X3；Y向選擇C、D面對稱對刀；Z向選擇A面的毛坯面為Z3.

這道工序的加工面形狀簡單,也可以在普通銑床上完成.

3.3 加工外側(cè)面

圖9為銑削外側(cè)面刀具路徑,加工方式采用平面銑,走刀方式為輪廓,注意要采用圓弧進退刀.圖10為UG CAM的工序?qū)Ш狡髦械墓げ巾樞?第1、2、3步采用T1粗加工,第4、5、6步采用T2精加工[6].

G54設置:X向選擇U形臂外側(cè)毛坯豎直面為X3；Y向選擇C、D面對稱對刀；Z向選擇A面(即工裝板上表面)為Z0.

3.4 加工上部成型面

圖11為銑削上部成型面刀具路徑,圖12為銑削工步順序.

工序?qū)Ш狡髦械牡?步粗銑5個平面,第2步精銑5個平面,第3、4步粗銑兩個豎直面,第5、6步精銑兩個豎直面,第7步粗銑5個曲面,第8步精銑5個曲面.平面加工采用面銑,豎直面加工采用平面銑,曲面加工采用固定軸曲面銑的區(qū)域銑削方式[7].

G54設置:X向選擇U形臂外側(cè)豎直面為X0；Y向選擇C、D面對稱對刀；Z向選擇A面(即墊塊上表面)為Z0.

3.5 加工內(nèi)側(cè)面

G54設置:X向選擇U形臂外側(cè)豎直面為X0；Y向選擇C、D面對稱對刀；Z向選擇A面(即工裝板上表面)為Z0.

3.6 加工底部成型面

底部成型面的平面采用面銑,豎直面采用平面銑,曲面采用固定軸輪廓銑中的區(qū)域銑削方式,刀具路徑如圖14所示.

G54設置:X向選擇U形臂外側(cè)豎直面為X0；Y向選擇C、D面對稱對刀；Z向選擇A面為Z0.

3.7 加工R61 mm圓弧面、成型面及4個小豎直平面

圖15為銑削R61 mm圓弧面、成型面及四個小豎直平面的刀具路徑.此工裝第一次裝夾先銑兩個工件上半部,加工結束將兩個工件拆卸后旋轉(zhuǎn)180°,左右調(diào)換裝夾后再銑另一半,程序完全相同[8].為了保證這兩個尺寸,也必須將最后的精加工余量設置為-0.25 mm,實體切削仿真時同樣會出現(xiàn)紅色顯示,均為正常.

G54設置:X向選擇對稱對刀；Y向選擇A面為Y0；Z向選擇C面為Z0.

4 生產(chǎn)檢驗

一年多來,某公司采用這套數(shù)控加工工藝設計方案順利完成制動缸底座的生產(chǎn)加工訂單,累計加工3 000多件,工件質(zhì)量合格、穩(wěn)定,加工效率高.此套設計方案的可行性得到了很好的驗證,也給類似工件的數(shù)控加工工藝設計提供了很好的借鑒作用.

5 結語

本設計方案是在對多套設計方案進行綜合比較的基礎上,經(jīng)過理論分析和實踐檢驗后最終確定的,總結制動缸底座在數(shù)控加工工藝設計過程中主要注意以下幾點:

(1)由于毛坯為模鍛件,沒有加工精基準,正確選擇精基準可以給后續(xù)加工帶來很大方便,選擇圖1中的A面作為精基準是最為合理的.

(2)工件形狀決定了加工過程中要經(jīng)過多次裝夾,而且是批量生產(chǎn),所以夾具設計是十分關鍵的,在裝夾中不僅要保證裝夾可靠、穩(wěn)定、快速,還要防止工件由于夾緊時引起的受力變形和振動,如設計方案中墊塊和活動頂鎬的使用就能起到很好的作用.

(3)由于工件待加工面多,所以工序及工步的安排是否合理不僅關系到工件質(zhì)量,也影響到加工效率,應盡可能將待加工面放置為水平面或豎直面進行加工.這樣才能得到更好的表面質(zhì)量,同時加工效率高.

(4)工件每次重新裝夾后,加工坐標系G54的位置都是變化的,要根據(jù)上道工序結束后的工件實際形狀和裝夾位置來設置G54,這樣才能保證工件質(zhì)量,提高加工效率.

(5)針對工件上的不同類型的加工面,要充分利用UG NX軟件的CAM模塊提供的多種加工方法和走刀方式合理設計刀具切削路徑,水平面和豎直面可采用平面銑或面銑,斜面可采用等高銑,各類粗加工盡可能采用型腔銑,單一形狀的曲面采用“曲面”走刀方式,復合曲面采用“區(qū)域銑削”方式,這樣才能既保證加工質(zhì)量又節(jié)省加工時間.