肖 湘

（惠州經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 惠州 516000）

1 特殊軸承支撐零件的特點(diǎn)

非標(biāo)特殊軸承支撐底座應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)并非唯一，設(shè)計(jì)靈活多樣，可根據(jù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，多方向傳送等需求設(shè)計(jì)，但其軸承需要按照國標(biāo)進(jìn)行裝配[1]。因此特殊軸承支撐零件的加工工藝也相對復(fù)雜，加工選用材料較為苛刻。特殊軸承支撐零件分為多道生產(chǎn)工序，生產(chǎn)效益較低，對該產(chǎn)品的UG編程和加工的刀具性能要求較高。

1.1 特殊軸承支撐零件特點(diǎn)

市場上軸承支撐結(jié)構(gòu)種類相對較多，普遍適用于單方向固定，價(jià)格相對便宜，特殊軸承底座具有回轉(zhuǎn)方向靈活、高精度配合、使用簡單、維護(hù)成本低、使用壽命高，滿足特殊工作的優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)軸承支撐機(jī)構(gòu)采用普通車床即可完成加工，刀具使用相對較少，特殊軸承支撐零件采用CNC高精度機(jī)床和磨床加工，加工過程中刀具的斷刀次數(shù)相對較多，加工成本高，加工時(shí)間長。

1.2 該零件材料的選用

特殊軸承支撐結(jié)構(gòu)對材料要求較高，其尺寸容易受到加工過程中的各種因素影響從而產(chǎn)生變形，尺寸超差等，例如零件加工過程中容易受到多次裝夾、多次斷刀換刀、機(jī)床產(chǎn)生的誤差或者、剛性不足刀具磨損等因素的影響，所以，在加工該類零件時(shí)，一般使用模具鋼。

1.3 材料（模具鋼）特性

模具鋼是用來制造冷沖模、熱鍛模、壓鑄模等模具的鋼種。大致分為以下幾類，用于不同的作業(yè)：冷軋模具鋼，鋼中含碳量大約2.0%～3.0%，其組織大部分屬于過共析鋼或萊氏鋼；熱軋模具鋼，鋼中含碳量0.3%～0.6%，屬于亞共析鋼。其中冷軋模具鋼具有耐磨損、高強(qiáng)度、高韌性的特點(diǎn)，該特殊軸承支撐機(jī)構(gòu)的材料，根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)和性能要求，筆者選用的是冷軋模具鋼[2]。

2 特殊軸承支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

該特殊軸承支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求滿足以下幾點(diǎn)：①須符合零件的公差要求；②該零件工作壽命9年以上；③軸承裝配直徑D=300mm；④配合孔槽要求公差等級一級。該零件編程要求：①未注倒角值0.2mm；②單項(xiàng)公差按實(shí)際公差的70%；③精加工尺寸面不得有劃痕；④CNC去批鋒；⑤嚴(yán)格按照工藝流程進(jìn)行UG編程。根據(jù)該零件的性能以及設(shè)計(jì)要求和加工要求，設(shè)計(jì)出其結(jié)構(gòu)。特殊軸承支撐結(jié)構(gòu)三維圖，如圖1。

圖1 特殊軸承支承結(jié)構(gòu)三維圖

該零件整體為規(guī)整的正方形，側(cè)面有長方形配合長條，其厚度僅有5mm，長度為73mm。零件側(cè)面的配合長條用于特殊軸承支撐結(jié)構(gòu)裝配過程中的精密配合，用于支撐結(jié)構(gòu)和設(shè)備的相互配合，保證裝配過程中的裝配要求，同時(shí)具有在設(shè)備工作運(yùn)行中固定支撐結(jié)構(gòu)的作用[3]。

該零件上表面有4個(gè)軸承配合孔，用于固定特殊軸承，這4個(gè)孔直徑為25mm，滿足特殊軸承裝配過程的要求。該特殊軸承裝配過程較為簡單，但是裝配要求較高，裝配過程中要注意兩配合件表面的光潔度，不得有較為明顯的顆粒附在兩配件的表面，以免影響配件的裝配精度；零件上表面有4個(gè)U型槽，寬度為20mm，長度為20mm，高度為8mm。這4個(gè)U型槽主要用于零件裝配和固定，上下配合，該U型槽尺寸要求較高，裝配過程中難度較高。U型槽底部有半徑為3mm的精槽，用于該部位的鎖緊，防止支撐結(jié)構(gòu)在工作運(yùn)行中發(fā)生形變，從而最大程度上維護(hù)零件。

零件上有4個(gè)直徑為12mm，深度為8的沉頭孔，這4個(gè)沉頭孔主要用于該特殊軸承支撐結(jié)構(gòu)的固定，防止該支撐結(jié)構(gòu)的位置變動(dòng)，保證該特殊軸承支撐結(jié)構(gòu)在設(shè)備運(yùn)行中正常支撐；還用于固定加工過程中的支撐結(jié)構(gòu)，便于裝夾和加工，保證該特殊軸承支撐結(jié)構(gòu)在加工過程中有足夠的壓力，減小加工過程中裝夾時(shí)的幾何誤差，間接保證工件的尺寸精度；沉頭孔設(shè)計(jì)方便該零件在裝配過程和加工過程中的干涉，同時(shí)也最大限度地防止了螺母的失效。

其余外形輪廓、孔、槽周邊倒角，去批鋒，防止加工過程中產(chǎn)生毛刺，避免劃傷手，保證工件其他夾次的二次裝夾。

3 零件加工工藝分析

3.1 毛坯選擇及加工工藝分析

零件的加工工藝是零件生產(chǎn)中最重要的環(huán)節(jié)，工藝的完整性和工藝的可行性決定了零件的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效益，生產(chǎn)過程中工藝出現(xiàn)問題可能直接導(dǎo)致工件的報(bào)廢，同時(shí)浪費(fèi)加工時(shí)間，增加加工，因此在UG編程的前一環(huán)節(jié)必須對零件的工藝進(jìn)行技術(shù)性分析，保證加工質(zhì)量，盡可能控制可變因素（余量，公差）。從而進(jìn)一步提高CNC加工的質(zhì)量和效益，保證產(chǎn)品加工質(zhì)量，節(jié)約生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)企業(yè)利益最大化。

3.2 毛坯及毛坯開夾位

該工件外形輪廓較為規(guī)整，零件外形尺寸較大，選擇毛坯時(shí)應(yīng)該盡量用正方形毛坯料，這樣粗加工的余量較大，簡化加工工件的外形尺寸的加工，便于裝夾和夾緊。在加工的過程中尺寸越大的刀具其切削力越大。切削力越大，對夾具的要求越高，夾具的夾緊力要與刀具切削力相匹配，避免加工過程中因?yàn)閵A緊力不夠而導(dǎo)致工件的打飛，對夾具和機(jī)床造成損壞。通過分析，結(jié)合該零件外形規(guī)整且尺寸較大的特點(diǎn)，該零件在第一夾開夾位應(yīng)選用大板夾具，大板夾具夾緊力較大，適用大毛料開夾位和大余量的粗加工。

3.3 第一夾開夾位刀具選用

在第一夾開夾位時(shí)選用3把刀具，由于材料選擇為冷軋模具鋼，模具鋼硬度較高，難切削，因此選用刀具應(yīng)為硬度較高的合金刀具[4]。提高刀具的使用壽命和降低刀具切削過程中出現(xiàn)斷刀的概率。1）φ16m兩刃帶圖層的硬質(zhì)合金刀；2）φ6mm、長度90mm的兩刃硬質(zhì)合金倒角刀；3）φ16m四刃帶圖層的硬質(zhì)合金半精刀。

3.4 夾位刀具分析

條狀?yuàn)A位適用于推塊夾具，夾位粗加工一般用專用刀具。該毛坯為冷軋模具鋼，其硬度高于普通的鋼材，所以在夾位粗加工中的φ16mm兩刃帶圖層的硬質(zhì)合金粗加工吃刀量一般為0.7mm每刀，大余量粗加工中吃刀量小，既保護(hù)了刀具也利于工件的穩(wěn)定，不易出現(xiàn)振刀和刀刃崩缺的現(xiàn)象；夾位面平面度要求高，夾位面的光潔度決定了裝夾時(shí)是否能準(zhǔn)確裝夾，最大限度地減少了裝夾中夾具存在的集合誤差，間接保證了工件的尺寸精度和加工出來的工件的質(zhì)量。φ16mm四刃帶涂層的硬質(zhì)合金半精刀吃刀量較大，半精刀實(shí)際切削量較小，較大的吃刀量以及較高的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給，既減小了刀具的磨損也提高了相關(guān)面的平面度和光潔度。同時(shí)半精刀的轉(zhuǎn)速（S）和進(jìn)給（F）可以給大一點(diǎn)，S：2500r/min，F(xiàn)：600mm/min。

3.5 外形輪廓加工工藝分析

零件的設(shè)計(jì)關(guān)鍵3個(gè)步驟是產(chǎn)品設(shè)計(jì)-工藝分析-現(xiàn)場加工，合理的加工工藝和穩(wěn)定的加工性能是保證零件生產(chǎn)的必要條件。在UG編程中要根據(jù)同類產(chǎn)品加工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合對刀具性能的深刻理解和熟練使用，全面考慮加工過程中應(yīng)力無法釋放而產(chǎn)生變形等影響產(chǎn)品加工的因素，合理制定產(chǎn)品的加工工藝，保證產(chǎn)品加工質(zhì)量，滿足產(chǎn)品加工性能要求。1） 外形輪廓粗加工是零件加工過程中的第一步，大余量粗加工后零件表面形成的刀紋較粗糙，而且產(chǎn)生的批鋒較多，因此，在用φ16m兩刃帶圖層的硬質(zhì)合金刀具粗加工后需要進(jìn)行二次半精加工，提高工件表面的光潔度，25±0.01上下表面各留0.15mm磨床加工，磨床加工表面光潔度較好，滿足產(chǎn)品性能要求。2）大量粗加工需要注意尾料的變化，需要留尾料的地方不能去除剩余的尾料。3） 三維圓弧曲面粗加工。該零件表面用于固定特殊軸承的4個(gè)軸承配合孔，孔的直徑是25mm。這4個(gè)圓孔的加工使用大板推塊進(jìn)行裝夾，因此在φ25mm比較難加工，平面加工難以實(shí)現(xiàn)。該零件長度為120mm，豎著裝夾，零件容易變形，而且不好夾緊。因此在加工φ25mm圓弧是采用三維加工，三維粗加工后曲面輪廓不平整，后續(xù)精加工中要注意表面的余量，此特征采用φ10mm圖層的硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行粗加工，因此還需要用D4mm刀具進(jìn)行清角，避免后續(xù)精加工時(shí)因?yàn)橛嗔窟^大而造成刀具的磨損。由于圓弧曲面有個(gè)半徑為4mm的圓弧角，在半精加工中可以使用半徑為1.5mm的球刀進(jìn)行圓弧面的粗加工，銑刀在半精加工中對圓弧面的精光中，表面粗糙度較差一點(diǎn)，球刀由于刀刃有R角，在三維切削過程中對圓弧面的精光用的恰到好處，但是銑刀剛性要求比球刀要求較高，此外銑刀的刀長比球刀要長的多（相同直徑下），在切削過程中不容易出現(xiàn)斷刀的現(xiàn)象。銑刀成本比球刀成本低，大批量加工該類零件，工廠在考慮加工刀具的成本的情況下，往往會優(yōu)先使用銑刀進(jìn)行加工。4）U型槽加工。U型槽加工時(shí)采用φ6mm刀具進(jìn)行大余量粗加工，因?yàn)閁型槽的次特征拐角半徑為2mm，因此在大余量粗加工后還需要采用φ4mm的加長刀具進(jìn)行二次粗加工，直至底面和側(cè)面余量為0.1mm。三維粗加工后其曲面余量較不規(guī)整，容易后續(xù)加工中出現(xiàn)差錯(cuò)。5）零件上孔的加工工藝。加工較大的螺紋孔時(shí)有3個(gè)重要的步驟，中心鉆點(diǎn)孔—合金鉆鉆孔—絲錐攻牙，其中中心鉆進(jìn)行點(diǎn)孔時(shí)點(diǎn)孔的深度一般為0.8mm，中心鉆的使用是防止合金鉆打孔過程中因不受力而打偏，造成工件尺寸超差報(bào)廢。孔尺寸較深較大的情況下，由于合金鉆有效長較短，可以先采用合金鉆鉆進(jìn)一部分深度，為后面的白鋼普通鉆減輕壓力。底孔較大時(shí)，一般要分不同規(guī)格大小的鉆頭進(jìn)行鉆孔，大鉆頭直接打孔容易燒掉鉆頭，鉆頭直徑、鉆頭轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量越小，其切削力越小，因此需要多次打孔，直至鉆到適合攻牙的標(biāo)準(zhǔn)大小，絲錐攻牙時(shí)單次攻牙深度Q值一般為1.5mm，不能給大，Q值大的情況下，絲錐容易因?yàn)殡y以排鐵屑而斷刀，同時(shí)還要注意底孔的預(yù)深。使用打孔命令可以通過一個(gè)操作打完不同高度的孔，對于深度不同的孔來說，需要分開操作，進(jìn)行打孔。防止在UG操作中因?yàn)檫z忘先小鉆頭的原則從而導(dǎo)致孔打偏，造成工件報(bào)廢的不良后果。6）零件上下底面及所有特征精加工刀路分析。半精加工一般表面粗糙度為0.1mm左右，半精刀具一般為四刃刀，刃數(shù)多加工表面的效果越好，半精加工中吃刀量一般為0.1mm，其公共值一般較大。半精刀具切削量不能大，切削量過大容易造成半精不鋒利、刀刃崩缺，或者是加工出來的表面刀路不規(guī)整，表面平面度達(dá)不到要求，半精加工中轉(zhuǎn)速和進(jìn)給值一般要比粗加工時(shí)的取值大（精工精槽、走圓弧拐角，徑向距離小，加長刀具除外），加工出來的平面度和刀紋效果較好。

4 專用夾具分析

4.1 專用夾具及裝配分析

機(jī)械設(shè)計(jì)與制造必須結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程中的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際的生產(chǎn)中可能和理論值相差較大，例如生產(chǎn)過程中機(jī)床的穩(wěn)定性可能和UG編程時(shí)的模擬有差距；在零件的裝夾過程中也可能產(chǎn)生夾具的誤差，達(dá)不到零件的裝夾要求。另外夾具的設(shè)計(jì)中也要考慮工件的定位和合理性，工件的加工過程中由于機(jī)床在切削粗加工過程中切削力較大，可能使夾具松動(dòng)，從而造成工件尺寸超差，導(dǎo)致報(bào)廢。此外夾具的選用也要考慮工件的變形這一因素，對尺寸要求高的盡量增加工件和夾具的受力面積，同時(shí)，降低UG 編程中的切削參數(shù)，保證工件生產(chǎn)過程中的穩(wěn)定性。

結(jié)合該特殊軸承支撐機(jī)構(gòu)的性能要求和加工要求，其專用夾具的選用及裝配過程如下。

4.1.1 第一夾具裝配

第一夾為開夾位夾具，使用右上角定位，另一邊使用推塊進(jìn)行夾緊。該夾具使用與外形尺寸較大且規(guī)整的工件裝夾。

4.1.2 第二夾具裝配

二夾和一夾共用一個(gè)夾具，二夾由于避空加工，增加了墊塊，將工件墊高。

4.1.3 第三夾具裝配

三夾加工該零件下表面4個(gè)直徑25mm的軸承配合孔及4個(gè)直徑為12mm，深度為8mm的沉頭孔及1mm臺階，將工件反面裝夾，如圖2（圖中XM、YM、ZM為UG軟件的加工坐標(biāo)系的3個(gè)坐標(biāo)軸）。

圖2 三夾裝配效果

4.2 零件裝配分析

該零件分為上下2個(gè)模塊，U型槽部分的主要作用為定位和裝夾，承受大部分的力；上下模塊用沉頭六角螺釘鎖緊，上下圓弧槽裝配軸承末端，由于該圓弧槽為上下裝配形成，所以該圓弧槽裝配過程中配合較高，同軸度要求較高，如圖3（圖中XC、YC、ZC表示UG軟件建模模式下的坐標(biāo)軸）。

圖3 零件裝配效果

5 結(jié)論

該特殊軸承支撐機(jī)構(gòu)整體為規(guī)整的正方形，側(cè)面有長方形配合長條，該配合長條用于軸承支撐結(jié)構(gòu)裝配過程中的精密配合，滿足裝配過程中的裝配要求，同時(shí)具有在設(shè)備工作運(yùn)行中固定支撐結(jié)構(gòu)的作用；零件俯視圖有4個(gè)U型槽，該U型槽主要用于零件裝配和固定，上下配合；U型槽底部有半徑為3mm的精槽，用于該部位的鎖緊，防止支撐結(jié)構(gòu)在工作運(yùn)行中發(fā)生形變，最大程度上維持零件的壽命；零件設(shè)計(jì)4個(gè)沉頭孔，這4個(gè)孔主要用于支撐結(jié)構(gòu)的固定，還用于加工過程中的固定，同時(shí)也最大限度保護(hù)螺母，防止失效。

該特殊軸承支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿足該食品加工公司自動(dòng)化生產(chǎn)的需求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理；該產(chǎn)品加工工藝安排合理，產(chǎn)品性能良好，很好地改善了設(shè)備工況。