方套方鏤空零件的加工工藝方法研究

陳李中

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院機械工程學(xué)院，廣東 廣州510800）

0 引言

鬼工球是中華文明的瑰寶，它是一種典型的鏤空零件。這種鏤空的雕刻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于石雕、象牙雕刻等藝術(shù)領(lǐng)域，但在金屬的鏤空零件加工方面卻很少見，像方套方鏤空零件，如圖1所示。方套方零件造型獨特，設(shè)計美觀，三個立方體零件互相鑲套，各個立方體可在其內(nèi)部自由旋轉(zhuǎn)，但又無法從中脫出。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)精巧，立方體相互位置要求較精確，尺寸控制較難，即使對于車床操作熟練者也不易加工。

圖1 方套方鏤空零件

這類零件的機械切削加工方法及理論依據(jù)較少。特別是普通車削加工中，將圓柱形棒料如何加工成立方體，并且同時加工三個鑲套的立方體有一定的難度，其中涉及到的車削技術(shù)、裝夾方法也較具有典型性[1]。本文即是對該零件的設(shè)計過程、工藝、加工難點、車削加工方法等進行簡要論述。

1 鏤空立方體零件的結(jié)構(gòu)分析

經(jīng)零件設(shè)計，得到的立方體鏤空零件裝配體工程圖，其尺寸、公差如圖2所示。

圖2 方套方鏤空模型工程圖

由工程圖所示，所需加工零件分為三個內(nèi)嵌立方體。大立方體的邊長為（50±0.05）mm，中間立方體的邊長為（28±0.02）mm，最小立方體邊長為（15±0.02）mm，小立方體面上的內(nèi)孔為Φ8±0.05 mm，大立方體與中立方體之間的內(nèi)槽直徑為Φ41±0.05 mm，槽寬3.5 mm，中立方體與小立方體之間的內(nèi)槽直徑為 Φ26±0，05 mm，槽寬 2.5 mm，最小立方體上的孔 Φ20±0.05 mm.

要對該零件進行加工，首先要對上述零件的幾何結(jié)構(gòu)進行分析，在加工過程中要著重考慮以下問題：（1）三個立方體的同心重合，邊長要滿足小于大立方體上外部圓的直徑；（2）小的立方體不會脫出外部，在大立方體的內(nèi)部留有自由旋轉(zhuǎn)的間隙。

考慮到加工中小立方體與大立方體的鏤空間隙，利用軟件可以方便的進行零件設(shè)計及模擬裝配的檢驗：大立方體邊長（50±0.05）mm，大立方上孔 Φ35±0.05mm，深度11mm，在大立方體內(nèi)部車削內(nèi)槽（間隙）至 Φ41±0.05 mm，槽寬3.5 mm ，剩余立方體邊長為（28±0.05）mm，最小立方體上的孔 Φ20±0.05mm，

各立方體設(shè)計大小依據(jù)如下：

根據(jù)勾股定理，設(shè)立方體面上為兩個直角三角形，直角三角形兩直角邊為a和b，斜邊（立方體面對角線）為c，

那么 a2+b2=c2，c=

大立方體面對角線長度為50mm×1.414=70.7 mm.

中立方體面對角線長度為28 mm×1.414=39.592 mm.

中立方體體對角線長度為39.592×1.414=55.983 mm.

內(nèi)槽間隙空間對角線長度為Φ41±0.05 mm× 1.414=（57.974±0.05）mm.

通過以上計算分析，中立方體面對角線長度39.592 mm＞孔Φ35±0.05mm，故中立方體不會脫出。又由于在大立方體和小立方體的間隙中直接切除內(nèi)槽Φ41±0.05mm，槽寬3.5mm，中立方體對角線長度55.983 mm＜大立方體間隙是內(nèi)槽Φ41±0.05 mm形成的立方體對角線。中立方面對角線長度＜內(nèi)槽徑Φ41±0.05 mm，故邊長（28±0.05）mm 的中立方可在內(nèi)部自由旋轉(zhuǎn)。

同理，最小立方體邊長（15±0.05）mm，小立方面對角線長15 mm×1.414=21.2 1mm，由于剩余中立方體孔Φ20±0.05 mm，車內(nèi)槽至位置17.5 mm，槽內(nèi)徑Φ26±0.05 mm，寬2.5 mm，剛好將連接切斷，故小立方體可在內(nèi)部自由旋轉(zhuǎn)且無法脫出。

2 零件加工工藝制定

2.1 工藝原則

根據(jù)以上立方體鏤空零件工程圖2，為保證圖紙各部分的加工余量，由于立方體面的正方形對角線長度為70.7 mm，故選材料為Φ80 mm×80 mm棒料。先車削大的立方體，然后加工立方體每個面上的孔及內(nèi)槽，最后加固立方體的裝夾，同時切出三個獨立的立方體[2]。

制定零件加工工藝時需考慮以下幾方面。

（1）加工工藝制定的準則：1）要保證立方體的形狀位置精度，采用粗、精加工分開的原則；2）先粗加工定位基準；3）精加工定位基準；4）盡量工裝夾具避免基準轉(zhuǎn)換誤差；5）按照合理的加工工藝方案逐步加工[3]。

（2）釆用自制開口司套夾具。如果把立方體零件直接在三爪自定心卡盤上裝夾，是無法裝夾穩(wěn)定牢固，也無法校正立方體的中心和同軸度，而且三個爪的夾緊力不均衡，也會使零件容易變形。為解決這些問題，采用了開口司套裝夾（如圖3），較好的保證了立方體不易變形，減少了立方體零件在車床上校正的麻煩，提高了加工的效率[4-5]。

圖3 開口司套夾具

（3）當在加工好立方體的5個面及空位間隙之后，再次裝夾該零件時，由于已加工立方體部分已經(jīng)鏤空，使被加工的立方體無法再承受加工中的切削力，此時為了增加工件材料的承受力，采用塑料橡膠填滿已加工好零件上的孔和間隙，冷卻后變硬，這樣就可增加工件承受切削力的強度，順利加工好最后一個加工表面上的孔及間隙槽（圖7）。

2.2 加工步驟

基于以上原則，根據(jù)鏤空立方體的零件圖并結(jié)合自已有的相關(guān)加工經(jīng)驗，制定該零件的加工工藝步驟，具體如下：

（1）按照先粗后精的、先面后孔、基準先行的原則。首先粗加工正方體（50±0.2）mm ×（50±0.2）mm 的六個面，然后精加工成邊長（50±0.05）mm的立方體。

（2）然后用開口司套裝夾立方體胚（見圖4），保證立方體不變形并保證正方體的邊長（50±0.05）mm尺寸精度。

圖4 三爪卡盤司套夾具裝夾

（3）接著加工立方體基準面上的孔，如圖5所示。孔Φ8±0.05 mm長50mm、車內(nèi)孔Φ20±0.05mm長17.5mm，車內(nèi)孔Φ35±0.05mm長，11mm.

圖5 加工好的立方體面上的孔及槽

（4）采用內(nèi)孔切槽（臂長12 mm，槽寬3 mm，刀尖伸出4mm）刀具進行切削。在位置長度11 mm上車Φ41±0.05 mm寬3.5 mm的內(nèi)槽；在位置長度17.5mm車Φ26±0.05mm寬2.5mm.

（5）按照（1～4）的步驟，依次重復(fù)，車好其他五個面的孔及內(nèi)槽。

（6）接下來給立方體加固，用塑料橡膠把加工好的孔及所有間隙都填滿，如圖6所示，等塑料橡膠干燥后變硬。

圖6 立方體面上的孔填上滿玻璃膠

（7）然后繼續(xù)裝夾立方體，加工立方體第六個面的孔及內(nèi)槽：車內(nèi)孔Φ20±0.05 mm長17.5 mm，車內(nèi)孔Φ35±0.05 mm長7.5 mm.用方槽內(nèi)孔車刀，在位置長度7.5 mm車內(nèi)槽Φ41±0.05 mm寬3.5 mm；在長度17.5 mm位置車內(nèi)槽Φ26±0.05 mm寬2.5 mm，這樣中間正方體的邊長（28±0.05）mm，最小正方體邊長（15±0.05）mm就車好，它們的連接也就切斷。

（8）最后取下該零件，把所有塑料橡膠填充物清理干凈，立方體鏤空零件加工完成，如圖7所示。

圖7 加工完成的方套方鏤空零件

3 結(jié)束語

根據(jù)鏤空立方體零件的3D建模、工藝制定、加工方法的實踐研究，解決了車削加工技術(shù)難度，及裝夾過程中容易產(chǎn)生變形等特殊問題。通過制訂合理的加工方案，最終實踐加工效果好，零件的精度也得到了保證。該零件的加工研究為類似鏤空零件的車床加工提供了理論的依據(jù)和實踐方法。

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[4]陳宏鈞，方向明，馬素敏.典型零件機械加工生產(chǎn)實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[5]劉 潔.偏心件車削及夾具設(shè)計[J].機械工程師，2012.（06）：123-124.