張久雷

（廣東職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東佛山528041）

0 引言

與某企業(yè)合作，為其加工如圖1所示的葉輪泵室，尺寸單位為毫米(mm)。如圖2所示，葉輪泵室位于PCB設(shè)備中水泵部分的頂部。其在水泵中的主要作用是匯集葉輪甩出的液體，并由螺旋槽排出后，經(jīng)出水管將液體流輸送至目的地。企業(yè)對葉輪泵室的壽命和耐腐蝕性要求較高，故采用PP材料進(jìn)行加工制造，產(chǎn)品承載能力強(qiáng)、抗沖擊強(qiáng)度大、耐腐蝕性好。

圖1 葉輪泵室

圖2 水泵實(shí)物

1 工藝分析

如圖3所示，葉輪泵室主要由底板、水室主體和出水管3個(gè)零件焊接而成。其中，底板有一個(gè)內(nèi)孔和一個(gè)端面槽；出水管上有一段Tr40×4LH的外梯形牙；水室主體底部有個(gè)φ140 mm×20 mm的臺階（與底板緊配），上端有一段Tr138×4LH的內(nèi)梯形牙，中間部分由一螺旋槽和一個(gè)側(cè)面孔（與出水管緊配）構(gòu)成。各個(gè)零部件的尺寸公差和表面粗糙度要求都不高，其難加工的關(guān)鍵部位是側(cè)面孔，即與出水管配合的孔。

考慮到葉輪水室為組合件，確定其加工工藝方案為：先分開各個(gè)零部件單獨(dú)加工，然后讓彼此緊配，焊牢后再進(jìn)行綜合加工，以保證最終的尺寸和形位要求。

2 加工工序

2.1 毛坯選用

根據(jù)以上分析，各個(gè)零部件的選用材料為：底板選用PP板φ140 mm×21 mm（預(yù)留1 mm焊接后車削）；水室主體選用PP管φ160 mm×φ128 mm×85 mm，出水管選用PP管φ40 mm×φ32 mm×107 mm。

2.2 加工工序

由于同一工件的加工工藝可能會出現(xiàn)各種不同的方案，加工時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況和具體條件，充分發(fā)揮機(jī)床的功能，采用最完善、最經(jīng)濟(jì)、最合理的加工方案[1]。本文基于數(shù)控加工工序集中要求的原則[2-3]，并根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，確定該零部件劃分為10個(gè)加工工序完成，具體介紹如下：

圖3 葉輪泵室組件

1）工序1：裝上底板進(jìn)行加工。

工步1：鉆φ40 mm內(nèi)孔；

工步2：車3 mm×3 mm的焊接倒角。

2）工序2：卸下底板，裝上水室主體，加工水室主體3 mm×3 mm的焊接倒角，以及φ140 mm×20 mm的階梯（要與底板外圓緊配）。

3）工序3：卸下水室主體，將加工好的底板緊配水室主體后用PP焊燒牢。

4）工序4：裝上焊好的零件，用三爪自定心卡盤夾住水室主體的外圓（沒焊底板的一端），車削零件左端輪廓至尺寸要求。

工步1：車平左端端面；

工步2：車左端端面槽。

5）工序5：調(diào)頭裝夾，用三爪自定心卡盤夾住工件的另外一端，車削零件右端輪廓和內(nèi)圓面（留余量）至尺寸要求。

工步1：車平右端端面，保證工件長度80 mm；

工步2：車Tr138×4LH的內(nèi)梯形牙小徑和φ44 mm內(nèi)孔；

工步3：車Tr138×4LH的內(nèi)梯形牙。

6）工序6：加工側(cè)面孔（用專用刀具和夾具加工）。

7）工序7：加工出水管，車削零件至尺寸要求。

8）工序8：將加工好的出水管緊配水室主體側(cè)面孔后，用PP焊燒牢。焊燒牢后的零件如圖4所示。

9）工序9：把出水管伸在水室里面多余的部分車除，保證內(nèi)孔尺寸。

10）工序10：用三爪自定心卡盤夾住工件底部，在銑床上加工出螺旋槽。

圖4 出水管緊配水室示意圖

2.3 加工設(shè)備的選擇

根據(jù)實(shí)訓(xùn)室現(xiàn)有的設(shè)備條件，除工序6車削側(cè)面孔選用沈陽CA6140型普通臥式車床加工和工序10螺旋槽的加工選用南通XK6325B型立式數(shù)控銑床（發(fā)那科系統(tǒng)）外，其余加工工序均選用南通CK6141型臥式數(shù)控車床（發(fā)那科系統(tǒng)），能夠滿足批量生產(chǎn)葉輪泵室工件的加工需要。

3 刀具的選用與設(shè)計(jì)

3.1 刀具選用

葉輪泵室工件材料選用PP材料，PP材料屬于塑膠的一種，其質(zhì)地軟、切削性較好，再考慮到刀具價(jià)格和磨損因素，可選用普通的合金刀具。加工葉輪泵室所用到的刀具及其加工內(nèi)容如表1所示。

表1 刀具表

3.2 成型刀設(shè)計(jì)

加工內(nèi)孔的一般步驟是：先鉆孔后用內(nèi)孔刀擴(kuò)孔，即需要兩把刀具（鉆頭和內(nèi)孔刀）。因此，這種加工方案會產(chǎn)生浪費(fèi)大量的換刀、對刀時(shí)間，而且還會因刀具磨損造成的內(nèi)孔尺寸誤差和位置累積誤差問題。為節(jié)省換刀、對刀時(shí)間，提高效率，將成型刀技術(shù)應(yīng)用到葉輪泵室內(nèi)孔加工中去；通過對葉輪泵室內(nèi)孔形狀及尺寸分析，現(xiàn)設(shè)計(jì)制作出鉆頭與內(nèi)孔刀合為一體的成型刀具，如圖5所示。

此成型刀是由一條圓鐵棒、8 mm×8 mm的合金刀刃、M6的螺絲及鉆頭形式的合金刀粒組成，其設(shè)計(jì)制作步驟如下：1）把φ30 mm圓鐵棒的一端車平；2）用線切割割出一個(gè)斜2°、8 mm×8 mm的通方孔；3）在銑床上鉆一個(gè)M5.2的螺紋孔（與斜孔成90°）并攻M6的牙；4）將合金刀刃磨成鉆頭的形狀，并焊接在鐵棒車平的一端；5）把8 mm×8 mm的合金刀刃安裝在斜孔上，并用螺絲鎖緊。

至此，一把兼有鉆頭和擴(kuò)孔刀切削性能的成型刀制作完畢。該成型刀具充分利用了成型刀兼有鉆頭和擴(kuò)孔刀的低速切削性能和直接成型的優(yōu)勢，從而避免了在加工過程中進(jìn)行頻繁測量、程序補(bǔ)償及中途換刀、對刀現(xiàn)象，極大地提高了葉輪泵室內(nèi)孔加工生產(chǎn)效率[4]。

4 夾具設(shè)計(jì)

為提高產(chǎn)品的加工精度，合適的工裝夾具在加工過程中是非常重要的。在實(shí)際的數(shù)控加工過程中，依據(jù)產(chǎn)品零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采取合理的工裝夾具能夠確保加工精度、提高效率、降低成本、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，還可以縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、擴(kuò)大機(jī)床加工范圍，具有重要的意義[5-6]。

根據(jù)上述分析，除工序6加工側(cè)面孔外，其余加工工序都可選用通用夾具進(jìn)行裝夾加工，即選用普通的三爪自定心卡盤裝夾加工。而工序6中的側(cè)面孔難以適用普通三爪卡盤或虎鉗裝夾加工，需要設(shè)計(jì)制作一個(gè)專用夾具。

加工葉輪水室的側(cè)面孔，首先想到用銑床加工，但銑削加工不好裝夾定位。若采用銑削加工的運(yùn)動(dòng)原理，即假設(shè)刀動(dòng)、工件不動(dòng)，設(shè)置在車削加工中是否可行？現(xiàn)將成型刀裝夾在車床三爪卡盤中，隨主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再將工件安裝在車床中拖板上固定，由此重新設(shè)計(jì)制作的專用夾具如圖6所示。

此專用夾具由固定板、墊板（調(diào)節(jié)Y軸高度）、固定套、蓋板、拉桿和鎖緊螺母組成。工件裝夾定位時(shí)，將普通車床的刀架拆下，用螺絲把夾具的固定板安裝在車床中拖板上，放上墊板和固定套，將工件葉輪水室中φ44 mm的內(nèi)孔套在固定套中，蓋上蓋板，用螺母鎖緊，至此完成了工件的裝夾。

圖5 加工側(cè)面孔的成型刀

圖6 夾具設(shè)計(jì)

加工側(cè)面孔時(shí)，將專用成型刀安裝固定在三爪卡盤上，找正鎖緊，并根據(jù)側(cè)面孔徑大小調(diào)節(jié)合金刀刃伸出的長度，用螺絲鎖緊固定即可。工作時(shí)，啟動(dòng)主軸，由主軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，利用直線插補(bǔ)使夾具中的工件隨中拖板移動(dòng)，進(jìn)而完成側(cè)面孔加工。此專用夾具簡便易拆，能夠完成工件側(cè)面孔特征的加工要求。葉輪泵室的實(shí)際數(shù)控加工產(chǎn)品效果如圖7所示，經(jīng)測量和試用，符合企業(yè)生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

圖7 葉輪泵室加工效果

刀具和夾具的合理選擇與靈活搭配應(yīng)用，能夠縮短生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低加工成本和工人勞動(dòng)強(qiáng)度。采用本文設(shè)計(jì)制作的夾具和成型刀具，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠裝夾定位和切削加工，且具有拆裝方便、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用，效果很好，完全可以保證產(chǎn)品的加工精度和質(zhì)量要求；具有一定范圍內(nèi)的通用性，可為同類產(chǎn)品的生產(chǎn)加工提供參考和借鑒。