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變形,在加工中容易出現震動.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,單側余量3 mm左右,最大切削深度118.5 mm,也就是內側面的高度,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,在加工中容易出現粘刀現象,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合金.

1.3 工件精度分析

2 工件數控加工工藝設計

2.1 機床選擇

根據工件結構特點,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工件松動、裝夾不穩(wěn)定的現象,如圖6所示.

(7)第六次裝夾

裝夾方式:根據工件尺寸,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 加工外側面

圖9為銑削外側面刀具路徑,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的工序導航器中的工步順序,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.

工序導航器中的第1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 加工內側面

G54設置:X向選擇U形臂外側豎直面為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180°,左右調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 生產檢驗

一年多來,某公司采用這套數控加工工藝設計方案順利完成制動缸底座的生產加工訂單,累計加工3 000多件,工件質量合格、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過多次裝夾,而且是批量生產,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量又節(jié)省加工時間.