肖 湘
(惠州經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 惠州 516000)
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(guó)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(duì)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(duì)該產(chǎn)品的UG編程和加工的刀具性能要求較高。
市場(chǎng)上軸承支撐結(jié)構(gòu)種類相對(duì)較多,普遍適用于單方向固定,價(jià)格相對(duì)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(jiǎn)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(duì)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(guò)程中刀具的斷刀次數(shù)相對(duì)較多,加工成本高,加工時(shí)間長(zhǎng)。
特殊軸承支撐結(jié)構(gòu)對(duì)材料要求較高,其尺寸容易受到加工過(guò)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(guò)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。
模具鋼是用來(lái)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(guò)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]。
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(jí)一級(jí)。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(zhǎng)方形配合長(zhǎng)條,其厚度僅有5mm,長(zhǎng)度為73mm。零件側(cè)面的配合長(zhǎng)條用于特殊軸承支撐結(jié)構(gòu)裝配過(guò)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(guò)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(guò)程的要求。該特殊軸承裝配過(guò)程較為簡(jiǎn)單,但是裝配要求較高,裝配過(guò)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(guò)程中有足夠的壓力,減小加工過(guò)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(guò)程和加工過(guò)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(guò)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。
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(guò)程中工藝出現(xiàn)問(wèn)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(duì)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。
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(jiǎn)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(guò)程中尺寸越大的刀具其切削力越大。切削力越大,對(duì)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(guò)程中因?yàn)閵A緊力不夠而導(dǎo)致工件的打飛,對(duì)夾具和機(jī)床造成損壞。通過(guò)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(kāi)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(kāi)夾位和大余量的粗加工。
在第一夾開(kāi)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(guò)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(zhǎng)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。
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(lái)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。
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(chǎng)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(duì)刀具性能的深刻理解和熟練使用,全面考慮加工過(guò)程中應(yīng)力無(wú)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(guò)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(zhǎng)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^(guò)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(duì)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(guò)程中對(duì)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(zhǎng)比球刀要長(zhǎng)的多(相同直徑下),在切削過(guò)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(huì)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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(guò)一個(gè)操作打完不同高度的孔,對(duì)于深度不同的孔來(lái)說(shuō),需要分開(kāi)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(guò)大容易造成半精不鋒利、刀刃崩缺,或者是加工出來(lái)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(zhǎng)刀具除外),加工出來(lái)的平面度和刀紋效果較好。
機(jī)械設(shè)計(jì)與制造必須結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中由于機(jī)床在切削粗加工過(guò)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(duì)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(guò)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(guò)程如下。
4.1.1 第一夾具裝配
第一夾為開(kāi)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(tái)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
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(guò)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
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(zhǎng)方形配合長(zhǎng)條,該配合長(zhǎng)條用于軸承支撐結(jié)構(gòu)裝配過(guò)程中的精密配合,滿足裝配過(guò)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(guò)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。