球套类零件的数控车削工艺分析

    王定勇，覃涛

    

    

    

    [摘 要] 随着机械制造技术的不断进步和机械传动系统对零件整体力学性能要求的不断提高，球套类零件从无法满足精度要求到当前被广泛应用，这一进步得益于数控技术的日臻成熟和生产工艺的快速进步和优化。以生产实例来分析说明球套类零件定位、安装和可靠的夹紧方法，并从走刀路径优化选择的工艺层面对影响加工生产效率的因素进行分析，最终为生产这类零件提供参考性的工艺分析案例。

    [关 键 词] 球套类零件；工艺分析；定位与安装；编程思路

    [中图分类号] TG519 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）04-0220-02

    球套类零件广泛应用于轨道交通和某些具有特殊要求的场合，传统的仿型加工很难达到设计所需的精度和表面粗糙度要求，因此利用数控设备车削球套类零件就成为不二之选。球套类零件一般采用普通热扎棒料或锻造坯料，锻造坯料一般都具备了球面外形的基本特征，本文将以具体的生产实例来分析这类零件的加工工艺问题。

    某轨道装备企业需要利用图1a所示的坯料批量加工生产图1b所示的球套类零件，现已在普通车床上将内孔和端面加工完成，要求在数控车床上加工球形外轮廓。下面分别从定位与装夹和编程思路等方面来进行工艺分析。

    一、工件的定位與夹紧

    零件总长和孔已进行精加工并且达到了设计要求，热扎坯料外圆直径为Φ70mm，需要在数控车床上编程加工出球形外轮廓，从定位与装夹的角度分析只能利用内孔和其中一侧端面定位。为了保证同轴度和装夹的可靠性（两端壁后只有1.5mm，不宜用螺母压紧）宜选用涨力心轴（相当于小锥度心轴）来装夹定位。

    心轴的右端为一段带轴环的圆柱体，右侧轴肩A面与三爪卡盘的卡爪端面紧贴定位，左侧轴肩B面与坯料端面紧贴限位；左端是涨力心轴，结构由圆柱定位面（Φ45-0.1-0.25）、涨力锥孔、涨力螺孔（图2）和涨力锥（图3）等四部分构成，其中在圆柱定位面上开了三条轴向涨力缝（120°，三等分圆周），使其具有良好的弹性，实体效果如图4所示。涨力锥孔深85mm，锥度为20°，最大孔口直径为42mm。

    涨力锥设计成双锥形状，如图3所示。双锥面能有效减小锥面与涨力心轴内锥面接触时产生的摩擦力，涨力锥与心轴内锥孔通过M16的三角螺纹连接，旋转涨力锥使其在心轴内部作微量移动，移动时通过双锥面实现心轴对工件的夹紧与松开。

    二、编写加工程序

    （一）走刀路径的分析与选择

    根据零件的结构分析可知，选用复合闭合循环指令G73编写加工程序十分简单，且程序简短而可靠，走刀路径如图4a所示。然而刀路图直观地反映出了这种编程方式所形成的走刀路径空走刀率高达45%左右，生产效率较低，不适合批量加工对效率的要求，经济效益较差。

    为了提高加工效率，可选用CAM（CAXA数控车、MasterCAM或UG）软件自动编程或直接采用G00～G03和G90等基本指令编程，形成长度不等的台阶状刀具路径，程序员可以控制任何一段路径的走刀轨迹，避免了空走刀影响加工效率的问题，如图4b所示。

    复合闭合循环指令G73适合加工已具备零件轮廓形状（亦称仿形加工）的铸锻件或者用在零件的试制程序编写中，具有简单可靠易学的优点。G00～G03等基本指令功能十分强大，只要编程人员灵活应用，无论什么形状的零件总能获得很高的加工效率，但是编写程序前需要设计每一次走刀的轨迹（指令、起点、终点和进给速度等），涉及坐标计算和刀具补偿等问题，因而表现出程序难编写而加工高效的特点。

    （二）加工参考程序的编写

    选用三菱品牌，型号为VNMG160404-NA的涂层刀具进行车削加工，切削深度ap=1.5mm，精加工余量为0.5mm，粗精加工进给量分别为0.25mm/r和0.15mm/r，粗精加工转速分别为700r/min和1450r/min。

    总之，球套类零件的圆弧插补往往会跨越象限，X、Z轴滚珠丝杠的受力侧将发生变化，若滚珠丝杠螺母副预紧较松或存在间隙，常会出现零件精度达不到要求或是补偿不到位的问题。因此，加工跨象限圆弧零件时不但要调整好机床使其存在适当的预紧力，还要根据刀尖圆弧半径的参数预留足够的精加工余量才能加工出合格的零件来。

    参考文献：

    [1]蒋伟.最新全国数控大赛模拟试题及解析：数控车实操篇[M].北京：机械工业出版社，2012.

    [2]王定勇.数控车削编程与加工[M].北京：国防工业出版社，2007.