国际象棋“马”数控车加工工艺实践

国际象棋“马”数控车加工工艺实践

梁健民

（江门市工贸职业技术学校，广东省江门市529300）

摘要：特殊异形零件的车削加工必须采取相应的工艺措施，从而获得稳定的零件加工精度和质量要求。国际象棋棋子在数控车车削加工中，较为复杂的棋子造型是“马”。属于典型的异形类零件。本文在数控车加工中对其加工工艺、工装思路进行分析，重点对特殊外形零件的加工辅助夹具设计作实践探讨。

关键词：国际象棋“马”；数控车；夹具设计；定位误差

引言：

常用的加工方法有：使用专用夹具、使用专用刀具、采用特殊的工艺手段、使用辅助装置和改装机床设备等。分析下图1国际象棋“马”的造型零件，用数控车来加工则必须运用到特殊的工艺手段和有针对性的工装夹具辅助来加工完成。该零件主体由两部分连接构成，其一、底座是常见的回转体零件在数控车加工中较为简单；其二、“马”的造型部分则是在方板上的各几何面中由多个不同轴线加工形面构成的造型。实际加工中在数控车上对该零件的局部工序上还运用到了铣削加工工艺。由此，相应的工序须使用专门的工装、工艺措施来保障整体加工的进行。所以机床专用夹具的设计原则是应能可靠地保证零件的加工质量；夹具结构工艺性好、便于制造加工，生产效率高、成本低，操作方便工艺合理等。

以下对国际象棋“马”的数控车加工工艺进行实践性的概述：

一、加工工序流程：

1、按图备方料（材料牌号为6061铝板）2、在数控车上运用铣削工艺加工两侧“马鬃”并预留下步工序定位基准面。3、数控车车削“马身”轮廓4、数控车车削“马嘴”部分5、“马鬃”形状修饰（线切割）6、加工连接孔7、“马眼”倒角修饰去毛刺、锐边（钳工）8、底座连接装配9、表面氧化铝（分色处理）

二、工装夹具的工艺特点及零件加工方案说明

2.1“马鬃”工装夹具

2-1.1）工艺特点：加工刀具夹持在主轴上即刀具固定不动，被加工工件使用工装夹具夹持并固定在刀架上；在数车上按“马背”图形轮廓尺寸进行轨迹编程，移动刀架运用铣削方法加工“马鬃”侧边。铣削加工“马鬃”另一侧面时松开工装上压紧夹具的螺丝；抽取中心高度垫板后刚好调整工件与铣刀轴线高度位置。如（图2-1b工件二次定位调整示图A、B）工件二次定位可通过工装导柱和夹具导套的间隙配合方式在允许的定位误差范围内进行上下调整。注意！二次定位时不能松动夹具上压紧工件的螺丝，防止工件松动后造成的位置误差。（销、套间隙配合：）2-1.2）加工方案：1）、三爪卡盘夹持φ10mm铣刀，保证铣刀夹持有效加工长度；2）、使用工装夹具夹持定位板料；3）、打表找正工装、工件基准边与车床中心轴线的安装垂直度；4）、主轴转速1300r/min～1600r/min刀具每分进给量F160～F220分粗、精铣削加工。

铣削刀具应选择键槽铣刀，键槽铣刀是双刃的，铣削时径向力得到平衡不易

向一侧偏让。尺寸稳定并且两侧直线度较好。在直径相同的条件下，键槽铣刀的强度、刚度比铣刀好，铣削加工中不易产生“让刀”现象加工轨迹较为稳定。在加工编程中应考虑铣刀切削角度确定走刀线路，根据工件尺寸要求合理运用顺、逆铣走刀编程避免出现过切现象。

（数控编程加工程序略）

2.2“马身”工装夹具工艺分析

2.2.1工艺特点：夹具设计时使用计算机辅助设计软件分析零件造型特征，计算并选取“马身”轨迹回转中心轴线。以工件回转中心轴线作为基准解决加工轨迹编程。夹具设计思路通过定位工件回转中心轴线进行工装夹具设计制作。

2.2.2加工方案：1）、用自定心三爪卡盘夹持心轴。2）、百分表检测心轴夹持精度。3）、装夹定位工件。4）、主轴转速800r/min～1300r/min刀具每分进给量F100～F160分粗精车。5）、左、右偏35˚尖刀进刀编程加工。

加工铝合金的情况视材料牌号及元素成份含量而定，如果含硅量小于12.1%，可以使用涂层硬质合金车削。通常从成本上考虑选择普通硬质合金非涂层的并且有排削槽的刀片，既完成了加工，寿命还不错，降低了加工成本。加工时的刀尖角和主偏角一起决定着刀具能否进入工件轮廓，因此，编程加工时应根据“马身”轮廓的图形位置分别采用左、右偏刀进刀编程的方式进行加工。实践中工件和刀片主切削刃之间的间隙、副后刀面及其下半部分的后角至关重要。我们常常靠加工经验估计、或者试切来判定刀具能否进入到工件及其相关的后角，这种方法很费时、费力，成本也很高。较理想的方式是通过计算机辅助作图软件和切削模拟软件在计算机显示屏上进行模拟切削而不需要在实际零件上进行。不仅可以获得准确的编程数据，并为工装的设计起到模拟测试的作用。（数控编程加工程序略）

2.3“马嘴“工装夹具

2.3.1工艺特点：使用计算机辅助设计软件测绘“马嘴”结构，计算旋转工件的角度确定加工部位的回转中心轴线，以“马嘴”中心轴线作为夹具设计的基准参照，根据与轴线形成的角度选择与“马身”加工相同定位基准面进行定位装夹，使工序定位基准面保持一致。（如图2.3b）

在考虑工装刚性时必须保证加工工件旋转时刀具有足够的进刀空间防止刀具与工件或夹具产生加工干涉。

2.3.2加工工艺：1）、用自定心三爪卡盘夹持心轴。2）、打表找正心轴夹持精度。3）、装夹定位工件。4）、主轴转速800r/min～1300r/min刀具每分进给量F100～F160分粗精车。加工时从成本上考虑可以使用白钢刀刀具，从效率上考虑则使用机夹式刀具。个例中实际加工刀具用白钢刀刀杆刃磨出内孔反向35˚尖镗刀，主轴正转切削。若机床刀架行程足够，也可以使用正向内孔35˚尖镗刀，主轴反转切削。编程时注意工装与加工部位形成的位置空间区域，设计合理的进刀、退刀编程线路。

数控车车削一个轮廓复杂的零件往往受加工位置的限制，最基本的要求是切削刀具能够进入到零件及夹具廓形所在的区域，确保加工时刀具不产生加工干涉。因此必须选择适当的刀片形状、主偏角、副偏角、前角和后角。当选择刀片形状时，关键是应考虑刀片的切削强度。其中以圆刀片的强度最高。对非圆形刀片，刀尖角越大，其强度越高。但是实际加工中由于加工间隙角度等原因，仿形车削加工多数使用35°或55°的菱形刀片。此时刀杆的选择实际上由所要求切入的轨迹区域来决定，如“马嘴”的仿形车削加工则可选择安装菱形刀片的J型刀杆，这样可形成较大的后角，刀具加工进入时对工装夹具不产生直接干涉，适合在特殊轮廓加工区域中使用。（数控编程加工程序略）

三、夹具定位分析

3.1误差分析

定位误差有两种表现方式，即基准位移误差和基准不重合误差。在使用专用夹具车削加工时产生位置误差的主要原因有：1）、工件定位基准与设计基准位置误差大。2）、夹具定位面与主轴回转轴线的位置误差大。3）、夹具制造、安装精度低。4）、夹具刚度低。5）、车削时旋转不平衡。6）、工件定位面精度低。根据误差形成的原因对应修正的措施为：工件定位基准与设计基准应尽量重合或者提高二者的位置精度，认真调试修正夹具定位面与主轴回转线的位置误差并及时校正平衡，改进夹具设计，提高夹具的刚度和平衡度提高定位面精度等。

3.2六点定位原理设计

根据六点定位原理的长方体工件，欲使其完全定位，可以设置六个固定点，工件的三个面分别与这些点保持接触，在其底面设置三个不共线的点1、2、3（构成一个面），限制工件的三个自由度；侧面设置两个点4、5（成一条线），限制了两个自由度；端面设置一个点6，限制自由度。于是工件的六个自由度便都被限制了。这些用来限制工件自由度的固定点，称为定位支承点，简称支承点。用合理分布的六个支承点限制工件六个自由度的法则，称为六点定位原理。

由于国际象棋“马”的坯料特征为长方形体，因此“马”各部位加工工装定位点方案均参照六点定位原理进行设计制作。同时结合工件的零件特点利用零件的边、角、面特征进行分点定位；以统一工序基准重合为原则，使之零件定位面与工装定位面重合一致。

3.3定位误差的计算

计算定位误差常用的方法是合成法。定位误差应是基准不重合误差与基准位移误差的合成。因此，工件的定位误差是基准位移误差和基准不重合误差之和，即：

式中：——工件的定位误差，mm；——基准位移误差，mm；——基准不重合误差，mm；计算时可先算出基准不重合误差和基准位移误差，然后将两者合成。例如“马鬃”数车铣削工装导柱与导套间隙配合定位误差的计算已知条件：工装定位孔φ10H7与定位销φ10g6为间隙配合，“马鬃”两侧对称度要求不大于0.2mm。计算其定位误差，由此分析定位量是否符合要求。

解：工件以孔为定位基准，与工序基准重合，基准不重合为0。定位时可能与定位销任意边接触，因孔径为φ10+0.0350mm，定位销直径为φ10-0.012-0.034mm，得经计算所得定位误差接近工件公差的1/3，因此，工装定位设计方案可行。

结束语：

国际象棋棋子造型制作是本校机加工数车专业模块项目式教学内容之一。在机械加工数控车专业模块教学中学生通过制作加工对专业知识产生了浓厚的学习兴趣；由国际象棋“马”的棋子加工操作任务中使学生对复杂零件的车削工艺处理、工装夹具设计有更进一步的认识；对学习复杂零件、异形零件的加工操作、工装夹具设计、工艺处理等知识起到启发和引导的作用。

参考文献

[1]哈尔滨工业大学，上海工业大学合编《机床夹具设计》——上海：上海科学技术出版社，1982

[2]劳动和社会保障部教材办公室组织编写《数控车工：技师/高级技师》——北京：中国劳动社会保障出版社，2008

[3]郑焕文主编，《机械制造工艺学》——沈阳：东北工学院出版社，1988

[4]刘之生主编，《尺寸链理论及应用》——北京：兵器工业出版社，1990

[5]孙光华主编，《工装设计》——北京：机械工业出版社，1990.