圆周均布窄槽解决在线切割机床上加工批量产品技术难题

hanruibin

当加工零件的槽宽≤1mm以下，用普通机械设备是难以加工的，因其切削刀具越小，加工难度越大，甚至无法加工；在这种情况下，须采用特种加工中的电火花线切割加工或其他电加工设备加工，可以解决了窄槽类的零件加工。而圆周均布窄槽在线切割机床上加工，历来视为加工难度较大的工序之一，因而萌发研制辅助夹具的设想，并通过使用效果良好，解决了在线切割机床上加工批量产品的技术难题。
　　在不久前，某企业委托我们加工一批圆环产品。在对该零件进行生产加工中，对槽宽只有0.2mm并且圆周均布的窄槽加工，进行了有益的尝试，取得了较好效果。该零件的基本外形尺寸：φ48mm×75mm，材质是45钢（如图1所示）。
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图1
4 _; {/ `/ C% p4 t4 B　　一、圆环的技术分析
　　（1）形位精度要求较高
　　（2）φ48的孔相对于端面的垂直度要求为0.02；
& V# s1 W2 A1 V: T+ D1 @! O) s' D　　（3）φ16与φ27的两孔要求同轴度为0.025；
7 I+ U# l- X7 K　　（4）12条槽相对于中心轴的轴线中心度要求0.02。
　　（5）定位尺寸要求较高
3 z5 R; H) C* m# {7 Q　　在12条槽中六条有圆孔长度为50mm、另六条长度为35mm，一长一短分隔开并对中心圆要求均布，允许槽宽的上偏差为0.02，下偏差为0。
　　对于槽口的加工要求是：保证宽度0.2mm的公差、长度为50mm和35mm，表面粗糙度为Ra3.2μm，并要求12条槽对中心圆均布，为保证其精度要求，对这道工序来说，无论是工件的加工，还是找正装夹都有相当大的难度，因此必须进行认真分析，并制定相应加工工艺过程。
$ z5 Z  X, ]: H- j( u9 n. p　　该工件用常规加工工艺是：（1）首先在工件上划六条均布的线，然后用肉眼直视对工件划线进行加工。用肉眼找正划线存在误差，无法保证加工质量，经常产生废品，给企业造成很大的损失。其特点是加工时难以保证尺寸公差和形位公差的一致性，以及装夹位置的准确度，而且加工效率太低，采用此种工艺平均每班一台机床仅能割2-3件。（2）如采用分度头装夹加工，考虑到现用的DK7725e线切割机床工作台X轴和Y轴最大长度只有250mm，因其体积太大难以机床上装夹，同时，整个加工过程中要求操作者技术水平高，细心高度集中，加工环节不得有错漏。对机床的调整，电参数的的选择，切削液用量的选择的应用，且劳动强度大、生产效率提不高。通过分析零件图，及考虑技术要求高，加工批量大，为了与企业保持良好的合作关系，替企业解决困难，我们尝试设计一套高效、简易、实用类似分度头式的夹具，来完成该产品的加工任务。
9 L. E  R2 P8 J7 l3 V　　二、夹具设计原理
6 P% d9 D/ Q( ^3 o　　设计是主要以线切割的基本要求及该零件的尺寸精度要求来考虑：能保证工件的加工要求；能提高劳动生产率；制作简单、维护方便；夹具制作成本较低。
　　该套夹具的原理比较简单,它是利用法兰盘同一圆周上六个均分的小盲孔及其立板座在同一直径有一小圆孔中有弹簧，弹簧上拖一个钢球，利用弹簧的弹力（其弹力可根据松紧调节），每旋转法兰盘一次，钢球刚好落在小孔中，实现旋转快速定位，如同分度头一样旋转分度。夹具的立板座与法兰盘紧固联接，保证回转精度。
　　三、夹具的结构
　　该夹具如图所示：主要由立板座、法兰盘和三爪卡盘等三大部件组成。其特点是能够方便地固定、装卸工件，保证快速定位；可以随意旋转，精确地分度，保证12条线均匀；并且该夹具的大小刚好适合我们DK7725e线切割机床工作台的大小，使用非常方便。
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4 p2 E1 [2 J+ ~3 \/ R1.卡盘  2.立板座  3.法兰盘  4.钢球  5.弹簧  6.调节螺钉
/ w: C2 H5 W! l4 _7. 坚固螺母 8.单向推力球轴承9铜滑套  10.卡盘螺栓
' Z. Q; i! i" w1 Z图2  装配图
　　四、夹具制作及装配
& m7 ]3 a/ b% s  _+ J　　该夹具主要特点是：利用钢球凸出部分进行定位，来控制法兰盘快速分度定位加工。
　　1、主要元件要求
& U$ U7 d! P- d( x　　①卡盘：采用K1180型三爪自定心卡盘（有正爪和反爪两种）,可用于装夹不同圆环或其他轴类的工件。
6 ]) U6 C  Z8 j  C7 B* k②立板座：采用A3钢材料制造，该件起支承作用，底板和立侧板两件板相互为90°通过焊接连成一体，其底面与另侧面通过铣削、磨削加工完成，垂直度要达到0.015-0.02，表面粗糙度达到Ra1.6 m，可采用铣削完成（见图3所示）

; [5 M& ^5 @5 |) u  [. H/ D图3  立板座
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8 t1 ~  z+ E  n/ L6 U! b' D$ S图4  法兰盘
. n( F: U% Y5 y4 W　　③法兰盘：材料选用45钢，该件的φ55圆与φ30定位心轴一次车削成型，其同轴度误差必须严格控制在0.025mm之内，及控制其圆度误差。法兰盘前端φ55长度3mm的台阶与卡盘配合公差为0.01-0.02mm；后端φ30是滑动部件，须局部加热淬火后回火，表面硬度达到HRC40-45，尺寸达到H7要求，表面粗糙度为Ra1.6m；在法兰盘后端以中心轴为基准，φ47圆周上钻有六个均布R3深1.5的定位孔，并通过螺母与心轴的螺纹相互固定在立板座上，并要求垂直达到0.015（见图4所示）。
3 [2 L6 `  g, Y. N0 u　　④钢球：选用φ6mm钢球，起定位作用。
4 S( [+ Y: a) b7 ~" P$ x  ~　　⑤弹簧：选用圆柱形螺旋压缩弹簧，弹簧丝直径0.8mm、外圈直径6mm,端部结构有并紧磨平的YI型，以保证支承端面与弹簧的轴线垂直，从而弹簧受压时不致歪斜。
+ C/ K4 C- t8 k. }5 C　　⑥调节螺钉：选用M8×1的平头螺钉，用于调整弹簧的弹力。
; [! ~% ~; F1 Z4 S　　⑦紧固螺母：选用M16×1六角螺母，起夹紧作用。
1 k1 ~/ Q5 R; _0 Q9 v/ l6 G/ R　　⑧单向推力球轴承：选用8203型滚动轴承（8224GB301-64），起滑动作用。
1 M2 ^# d* ?) O1 J1 G$ S9 |　　⑨滑套：材料选用黄铜，起滑动作用，φ35和φ30的孔要求同轴度为0.02，可采用车削完成; φ30的孔与法兰盘心轴的间隙配合要达到0.01-0.02；以便法兰盘旋转灵活。
　　⑩卡盘螺栓：选用M6内六角螺栓，起紧固联接作用。
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7 X6 Q% P7 k; p' N夹具的立体装配图
　　2、装配工艺过程
- v4 A0 Y7 T9 v" |# P9 }5 H　　在铣床上完成夹具体的加工→三爪自定心卡盘与法兰盘装配→立板座与铜滑套过盈装配→立板座与钢球定位弹性调试装配→法兰盘的心轴与立板座的滑套装配→法兰盘的心轴与单向推力球轴承的夹紧间隙调试。
( J3 H7 Q  B, y　　为了心轴的旋转精度，滑套内圈与法兰盘的主轴装配及滑套外圈与立板座孔装配时，常采用定向装配的方法。定向装配就是人为控制各装配件径向跳动误差的方向，使误差相互抵消而不是累积，以提高装配精度的一种方法。
　　1、夹具的工作过程：
2 y% r! t! _5 l' Z/ h! r　　（1） 夹具的安装与调整  把夹具定位在线切割机床工作台上中间位置，用百分表校正立板座的基准面与机床的X轴、Y轴平行且垂直，并用螺丝将夹具紧固在工作台上。（2）将工件放入三爪卡盘中（利用反爪）把工件夹紧，使工件的端面贴紧卡盘侧面。（3）加工前，首件需要利用机床上的自动对中功能分中定位，使钼丝位于工件的中心之后，便可按程序进行切割加工。当首件加工完之后，锁定机床X轴、Y轴的坐标值，以后无需再找正可继续加工。（4）按该圆环的加工工艺，考虑到工件所加工的槽长度、形状不一致，则法兰盘的工作有两种方法：一是逐条加工法是指每割完一条线，法兰盘需要按定位孔的方向顺序转动一次逐步去加工，这方法每次割完一条线后，需要换加工程序方可继续加工。二是跳步加工法是指当割完第一条线后，法兰盘要按方向顺序转多一个定位孔（即转动两次）才可按同一程序加工，直至该程序加工完。当第一条程序完成后要加工第二条程序时，可用同样的跳步法继续加工第二条程序。
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加工路径示意图耐磨焊条
法兰盘转动方向加工路径（如图所示）：  当采用逐步加工法路径从A→B→C→D→E→F。
　　当采用跳步加工法路径（虚线部分为路径）如加工第一条程序从A→C→E ；加工第二条程序从 F→B→D。
　　2、夹具制作应注意的工艺问题：
+ Y1 S$ ]9 C2 L& Q" g& R　　（1）法兰盘的心轴与滑套的滑动配合间隙  其间隙必须控制在H7/h6之间，且保证法兰盘转动灵活自如。如心轴与滑套之间的间隙过小，会出现法兰盘转动困难；若间隙过大，心轴的径向跳动误差大，影响工件加工的精度要求。（2）立板座的钢球定位孔与钢球配合间隙大小  其间隙必须控制在0.05-0.1mm之内，以保证钢球和弹簧的伸缩灵活。（3）该夹具是根据回转类定位夹具设计，利用弹性元件定位，因此要控制法兰盘上六个均布孔的中心孔距和深度尺寸要一致，减少制造定位误差。否则造成接触不良间隙过大，影响定位精度。
$ g. K, K1 n+ V  O! ?$ c0 K　　五、使用效果
/ ?4 w! ]+ x! o3 A6 I& Q8 ^+ ]( ?　　1、该夹具制作过程简单不复杂，成本较低，充分发挥机床的潜力，达到一机多用的目的。
　　2、经过试割加工工件，使窄槽加工后的尺寸精度达到H8级，表面粗糙度值达到Ra=1.2～3.2 m，槽宽的直线度也较好，检查后完全符合图纸要求的尺寸，连续加工数千件没有出现废品，为企业提高经济效益。
$ K) Y! Z( f. [( a0 Z　　3、使用此夹具后，加工效率同时迅速提高，现一个班一台机床加工15件左右，效率提高近四倍多，减轻了操作者的劳动强度。此套夹具使用一年多，性能十分稳定。
% Q9 Z% R; |, P* u! ]　　六、结束语
8 R! ]* X- g6 P　　夹具的制作，是一门综合性的科学。它需要我们要明确设计的任务，分析零件图，掌握工件的机械加工工艺规程，了解工件的作用、形状、结构特点、材料和技术要求；加工的表面、要求、余量、定位基准、夹紧表面等各方面的资料。实践证明，只有不断总结经验，认真收集设计资料，掌握设计则，合理拟出夹具的结构方案，正确地安排制造工艺、装配工艺。即使条件有限的基础上，也能制作出结构合理、定位可靠、经济实用的夹具体。而该夹具的设计及应用，极大也方便了圆型或轴类的零件加工，结构简单、操作方便，能够降低成本、提高工作效率，保证质量，具有较好的推广应用价值。
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