王躍華（河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401）

球接頭是油路及氣路快速連接的關(guān)鍵部件，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)及高精度要求，過去的加工方法就是單一的數(shù)控車削，工步繁多，單件完成時間長，批量生產(chǎn)要占用多臺設(shè)備；裝夾方法也是通用的三爪卡盤裝夾，敞開性差。

為解決傳統(tǒng)加工方法的缺點，通過對球接頭的工藝性分析、定位基準與夾具方案的確定，選擇臺灣某公司生產(chǎn)的HF－103三軸車銑復(fù)合加工中心加工，裝夾采用億川NT－206兩爪自動定心卡盤，敞開性好，空間大，便于裝夾對刀，使球接頭的加工在保證精度情況下，加工效率最高，刀具消耗最低，加工成本最低。

1 球接頭的工藝性分析

1.1 加工零件圖

球接頭加工零件圖見圖1。

技術(shù)要求：

（1）材料：SUS304；

（2）坯料尺寸：Φ14mm棒料；

（3）未注尺寸公差按IT12執(zhí)行；

（4）表面粗糙度Ra 1.6。

圖1 球接頭加工零件圖Figure 1 Ball joint processing parts

1.2 結(jié)構(gòu)分析

球接頭形狀復(fù)雜，加工部位多，包括階梯外圓柱面、直紋滾花、內(nèi)錐面、圓頭及內(nèi)倒角等，宜采用數(shù)控車削加工。不銹鋼材料切削時發(fā)粘發(fā)熱，需選擇合適的刀具及切削液。以Φ14mm棒料為坯料時，無需熱處理［1］。

1.3 加工方法的選擇

選擇的原則就是確保加工產(chǎn)品的尺寸精度和表面光潔度要求。選擇時，應(yīng)結(jié)合待加工零件的外形和尺寸公差的大小來選擇合適的加工方法。

球接頭的多處外圓尺寸精度要求較高，因此編程時可取公差的平均值，以確保加工時達到較理想的尺寸要求。通過分析，并從經(jīng)濟性和效率等方面考慮，比較理想的加工手段是數(shù)控車削。根據(jù)零件的材質(zhì)、外形結(jié)構(gòu)及機床價格等因素，該零件加工可選用臺灣某公司生產(chǎn)的 HF－103三軸車銑復(fù)合加工中心（圖2）。該機床為水平布局，主軸可伸縮，排刀架可左右大范圍移動，方向與主軸軸線垂直。

圖2 三軸車銑復(fù)合加工中心Figure 2 Three axis turning milling center

HF－103三軸車銑復(fù)合加工中心機床特點：一次裝夾就可完成零件的大部分加工工序，尤其適合需要多個加工工序的零件，避免了零件在多次重復(fù)裝夾中產(chǎn)生的各種偏差和累計誤差。該機床還可配備自動化上料裝置，使機床連續(xù)工作。其排式刀架，可安裝不同方向組合動力刀，包括車刀、銑刀及大功率鉆銑主軸，還可增加Y軸以擴大加工范圍。該機床操作靈活方便，而且配備了FANUC－TD數(shù)控系統(tǒng)，使編程操作更加穩(wěn)定可靠［2］。

1.4 加工方案的確定

要完成此球接頭的加工，可選用2臺同型號的HF－103三軸車銑復(fù)合加工中心，分兩步加工：一臺加工右端，一臺加工左端。工件左端有球頭，由于圓弧半徑較小，采用圓弧插補程序切削，可保證切削精度。倒角處角度為45°。由于該零件較復(fù)雜，考慮形位公差要求，應(yīng)當(dāng)先加工右端，外圓分粗、精加工，基準外圓車到Ф8.5mm，保證圓度，Ф6mm孔鉆一半深，右端外圓車至尺寸，待內(nèi)錐及滾花加工完畢后，換另一臺機床調(diào)頭裝夾加工左端，同樣分粗、精加工，球頭車至尺寸，鉆孔并倒角，車削結(jié)束。

工藝路線：

（1）車右端面→粗車Ф9mm及Ф8.5mm處→鉆中心孔→鉆孔（15mm深）→精車外圓→銑削內(nèi)錐面→滾花

（2）車左端面→粗車球頭→鉆中心孔→鉆孔（15mm深）→精車球頭→倒角［3］

2 工件的定位基準與夾具方案的確定

2.1 定位基準選擇

定位基準的選擇十分重要，既影響零件的位置精度，又影響零件各個表面的加工順序。合理選擇定位基準是保證零件尺寸精度與位置精度的前提，并能簡化加工工序，提高效率。定位基準的選擇原則：

（1）基準統(tǒng)一。為了避免基準不統(tǒng)一所帶來的誤差，并便于編程，應(yīng)該選用工序基準作定位基準，使工序基準與定位基準及編程原點統(tǒng)一。

（2）便于裝夾。已選好的定位基準要保證定位可靠，夾緊操作簡單，并敞開所有的加工部分，加工表面數(shù)量盡可能多。

（3）便于對刀。批量加工要保證對刀的可能性與方便性。

2.2 夾緊方案

由于工件在切削力作用下不能發(fā)生偏移，加工過程中要始終保持原始位置，所以要將工件定位夾緊。在滿足定位基準選擇原則的基礎(chǔ)上，合理選擇工裝夾具。通常數(shù)控車床車削時都采用三爪自動定心卡盤，但球接頭加工宜采用兩爪自動定心卡盤裝夾。兩爪自動定心卡盤的參數(shù)見表1，外形見圖3。

表1 兩爪自動定心卡盤參數(shù)Table 1 Two jaw self centering chuck parameters

圖3 兩爪自動定心卡盤Figure 3 Two jaw self centering chuck

NT－206兩爪自動定心卡盤適用于各種異形工件加工，如管件、矩形截面零件和不規(guī)則形體零件等?？ㄗ榉蛛x爪，其中頂爪為軟頂爪，根據(jù)零件不同形狀及裝夾要求，可提供各種形式的軟頂爪（軟頂爪屬于消耗品，價格便宜）。

針對球接頭加工，NT－206兩爪自動定心卡盤最大的優(yōu)點就是敞開性好，空間大，便于裝夾對刀。其次球接頭有同軸度要求，利用兩爪卡盤夾持車削，同軸度更容易保證［4］。

按照加工工藝路線，將球接頭加工分為Ⅰ序、Ⅱ序，工件的定位與夾緊方案：

（1）第Ⅰ序：利用球接頭毛坯圖（圖4）示意定位與夾緊。

圖4 球接頭毛坯圖Figure 4 Ball joint Blank drawing

選擇毛坯左端外圓為徑向定位基準，左端面為軸向定位基準，利用兩爪自動定心卡盤裝夾，左端外圓徑向夾緊，這種方法安全可靠，定位精度高。

（2）第Ⅱ序：利用Ⅰ序加工圖（圖5）示意定位與夾緊。

選擇Ф8.5mm外圓為徑向定位基準，左端面為軸向定位基準，利用兩爪自動卡盤裝夾，Ф8.5mm外圓徑向夾緊，這種方法安全可靠，定位精度高。

圖5 Ⅰ序加工圖Figure 5 ⅠProcess chart

2.3 切削用量及刀具選擇

編程時必須確定每道加工工序的切削用量，以指令形式寫入程序中。對不同的加工方法，要選用不同切削用量。正確地選擇切削用量，對提高切削效率，保證必要的刀具耐用度與經(jīng)濟性，保證加工質(zhì)量，都具有重要意義。

2.3.1 切削用量的選擇原則

（1）對于粗加工，要盡可能保證單位時間內(nèi)金屬切除量最多和必要的刀具耐用度。車削加工中，金屬切除量可用式（1）計算：

式中：

Zw——金屬切除量，mm3/s；

v——切削速度，m/s；

f——進給量，mm/r；

ap——背吃刀量，mm。

提高切削v、f、ap三要素，均能提高金屬切除量。但是三要素中，對刀具耐用度影響最大的是切削速度，其次是進給量。因此，粗加工時應(yīng)優(yōu)先考慮背吃刀量，其次考慮進給量，最后才根據(jù)刀具的耐用度要求選擇適當(dāng)?shù)那邢魉俣取?/p>

（2）半精加工和精加工時首先要保證加工精度和表面質(zhì)量，其次再兼顧必要的刀具耐用度和生產(chǎn)效率。背吃刀量應(yīng)根據(jù)粗加工留下的余量確定，表面光潔度是影響進給量的主要因素。因此，半精加工和精加工時一般多采用較小的背吃刀量和進給量，在保證合理刀具耐用度的前提下確定合理的切削速度。

2.3.2 刀具的選擇原則

（1）刀具材料：刀具材料不同，允許的最高切削速度也不同。高速鋼刀具不耐高溫，切削速度不到50m/min；碳化物刀具耐高溫，切削速度可達100m/min以上；陶瓷刀具更耐高溫，切削速度可高達1 000m/min。

（2）工件材料：工件材料硬度高低會影響刀具切削速度，同一刀具加工硬材料時切削速度應(yīng)降低，而加工較軟材料時，切削速度可以提高。球接頭的材料為不銹鋼，不銹鋼的強度和硬度與中碳鋼相近，但塑性大，加工硬化現(xiàn)象嚴重，使得切削抗力增大，功率消耗多，再加上不銹鋼導(dǎo)熱性能差，使切削區(qū)和刀具的溫度升高，刀具極易磨損。此外，不銹鋼的塑性大，粘附性強，容易粘接刀具而形成積屑瘤，使加工表面粗糙度增大，切屑不易折斷，造成排屑困難。因此，切削不銹鋼的刀具材料，應(yīng)選擇紅硬性、耐磨性、導(dǎo)熱性、抗粘接性能好的刀具材料［5］。

3 數(shù)控加工程序

按照加工工藝路線，將球接頭加工分為Ⅰ序、Ⅱ序，按照球接頭的全部工藝過程及文獻［6］編寫成程序清單。該工件的加工程序：

編制完成的球接頭加工程序通過審查后，將輸入三軸車銑復(fù)合加工中心，對刀，進行程序校驗，再啟動程序進行自動切削，得球接頭的加工成品（圖6）。

圖6 球接頭的加工成品Figure 6 Processed products of ball joint

4 結(jié)論

通過對球接頭的工藝性分析、定位基準與夾具方案的確定及編程加工，突破性地應(yīng)用了一個封閉型回轉(zhuǎn)曲面采用兩次成型方法，較好地解決了使用數(shù)控批量生產(chǎn)時的加工效率及成本問題。但本設(shè)計還有不足之處，就是一個封閉型回轉(zhuǎn)曲面采用兩次成型后的同軸度問題，待以后的實踐中加以研究解決。

1 曹文杰，谷春瑞，韓廣利.機械制造工程實踐［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2009：133～167.

2 潘培道，徐健.基于數(shù)控加工的工藝設(shè)計［J］.工藝與裝備，2006（4）：85～88.

3 宋莉莉.數(shù)控車床車削加工工藝過程分析及編程［J］.河北工業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院學(xué)報，2006，21（2）：50～55.

4 王凱.數(shù)控加工的工藝設(shè)計［J］.煤炭技術(shù)，2006，25（8）：32～33.

5 胡如祥.數(shù)控加工編程與操作［M］.大連：大連理工大學(xué)出版社，2008：41～60.

6 謝曉紅.數(shù)控車削編程與加工技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005：93～98.