方套方镂空零件的加工工艺方法研究

陈李中

（华南理工大学广州学院机械工程学院，广东 广州510800）

0 引言

鬼工球是中华文明的瑰宝，它是一种典型的镂空零件。这种镂空的雕刻技术被广泛应用于石雕、象牙雕刻等艺术领域，但在金属的镂空零件加工方面却很少见，像方套方镂空零件，如图1所示。方套方零件造型独特，设计美观，三个立方体零件互相镶套，各个立方体可在其内部自由旋转，但又无法从中脱出。其内部结构精巧，立方体相互位置要求较精确，尺寸控制较难，即使对于车床操作熟练者也不易加工。

图1 方套方镂空零件

这类零件的机械切削加工方法及理论依据较少。特别是普通车削加工中，将圆柱形棒料如何加工成立方体，并且同时加工三个镶套的立方体有一定的难度，其中涉及到的车削技术、装夹方法也较具有典型性[1]。本文即是对该零件的设计过程、工艺、加工难点、车削加工方法等进行简要论述。

1 镂空立方体零件的结构分析

经零件设计，得到的立方体镂空零件装配体工程图，其尺寸、公差如图2所示。

图2 方套方镂空模型工程图

由工程图所示，所需加工零件分为三个内嵌立方体。大立方体的边长为（50±0.05）mm，中间立方体的边长为（28±0.02）mm，最小立方体边长为（15±0.02）mm，小立方体面上的内孔为Φ8±0.05 mm，大立方体与中立方体之间的内槽直径为Φ41±0.05 mm，槽宽3.5 mm，中立方体与小立方体之间的内槽直径为 Φ26±0，05 mm，槽宽 2.5 mm，最小立方体上的孔 Φ20±0.05 mm.

要对该零件进行加工，首先要对上述零件的几何结构进行分析，在加工过程中要着重考虑以下问题：（1）三个立方体的同心重合，边长要满足小于大立方体上外部圆的直径；（2）小的立方体不会脱出外部，在大立方体的内部留有自由旋转的间隙。

考虑到加工中小立方体与大立方体的镂空间隙，利用软件可以方便的进行零件设计及模拟装配的检验：大立方体边长（50±0.05）mm，大立方上孔 Φ35±0.05mm，深度11mm，在大立方体内部车削内槽（间隙）至 Φ41±0.05 mm，槽宽3.5 mm ，剩余立方体边长为（28±0.05）mm，最小立方体上的孔 Φ20±0.05mm，

各立方体设计大小依据如下：

根据勾股定理，设立方体面上为两个直角三角形，直角三角形两直角边为a和b，斜边（立方体面对角线）为c，

那么 a2+b2=c2，c=

大立方体面对角线长度为50mm×1.414=70.7 mm.

中立方体面对角线长度为28 mm×1.414=39.592 mm.

中立方体体对角线长度为39.592×1.414=55.983 mm.

内槽间隙空间对角线长度为Φ41±0.05 mm× 1.414=（57.974±0.05）mm.

通过以上计算分析，中立方体面对角线长度39.592 mm＞孔Φ35±0.05mm，故中立方体不会脱出。又由于在大立方体和小立方体的间隙中直接切除内槽Φ41±0.05mm，槽宽3.5mm，中立方体对角线长度55.983 mm＜大立方体间隙是内槽Φ41±0.05 mm形成的立方体对角线。中立方面对角线长度＜内槽径Φ41±0.05 mm，故边长（28±0.05）mm 的中立方可在内部自由旋转。

同理，最小立方体边长（15±0.05）mm，小立方面对角线长15 mm×1.414=21.2 1mm，由于剩余中立方体孔Φ20±0.05 mm，车内槽至位置17.5 mm，槽内径Φ26±0.05 mm，宽2.5 mm，刚好将连接切断，故小立方体可在内部自由旋转且无法脱出。

2 零件加工工艺制定

2.1 工艺原则

根据以上立方体镂空零件工程图2，为保证图纸各部分的加工余量，由于立方体面的正方形对角线长度为70.7 mm，故选材料为Φ80 mm×80 mm棒料。先车削大的立方体，然后加工立方体每个面上的孔及内槽，最后加固立方体的装夹，同时切出三个独立的立方体[2]。

制定零件加工工艺时需考虑以下几方面。

（1）加工工艺制定的准则：1）要保证立方体的形状位置精度，采用粗、精加工分开的原则；2）先粗加工定位基准；3）精加工定位基准；4）尽量工装夹具避免基准转换误差；5）按照合理的加工工艺方案逐步加工[3]。

（2）釆用自制开口司套夹具。如果把立方体零件直接在三爪自定心卡盘上装夹，是无法装夹稳定牢固，也无法校正立方体的中心和同轴度，而且三个爪的夹紧力不均衡，也会使零件容易变形。为解决这些问题，采用了开口司套装夹（如图3），较好的保证了立方体不易变形，减少了立方体零件在车床上校正的麻烦，提高了加工的效率[4-5]。

图3 开口司套夹具

（3）当在加工好立方体的5个面及空位间隙之后，再次装夹该零件时，由于已加工立方体部分已经镂空，使被加工的立方体无法再承受加工中的切削力，此时为了增加工件材料的承受力，采用塑料橡胶填满已加工好零件上的孔和间隙，冷却后变硬，这样就可增加工件承受切削力的强度，顺利加工好最后一个加工表面上的孔及间隙槽（图7）。

2.2 加工步骤

基于以上原则，根据镂空立方体的零件图并结合自已有的相关加工经验，制定该零件的加工工艺步骤，具体如下：

（1）按照先粗后精的、先面后孔、基准先行的原则。首先粗加工正方体（50±0.2）mm ×（50±0.2）mm 的六个面，然后精加工成边长（50±0.05）mm的立方体。

（2）然后用开口司套装夹立方体胚（见图4），保证立方体不变形并保证正方体的边长（50±0.05）mm尺寸精度。

图4 三爪卡盘司套夹具装夹

（3）接着加工立方体基准面上的孔，如图5所示。孔Φ8±0.05 mm长50mm、车内孔Φ20±0.05mm长17.5mm，车内孔Φ35±0.05mm长，11mm.

图5 加工好的立方体面上的孔及槽

（4）采用内孔切槽（臂长12 mm，槽宽3 mm，刀尖伸出4mm）刀具进行切削。在位置长度11 mm上车Φ41±0.05 mm宽3.5 mm的内槽；在位置长度17.5mm车Φ26±0.05mm宽2.5mm.

（5）按照（1～4）的步骤，依次重复，车好其他五个面的孔及内槽。

（6）接下来给立方体加固，用塑料橡胶把加工好的孔及所有间隙都填满，如图6所示，等塑料橡胶干燥后变硬。

图6 立方体面上的孔填上满玻璃胶

（7）然后继续装夹立方体，加工立方体第六个面的孔及内槽：车内孔Φ20±0.05 mm长17.5 mm，车内孔Φ35±0.05 mm长7.5 mm.用方槽内孔车刀，在位置长度7.5 mm车内槽Φ41±0.05 mm宽3.5 mm；在长度17.5 mm位置车内槽Φ26±0.05 mm宽2.5 mm，这样中间正方体的边长（28±0.05）mm，最小正方体边长（15±0.05）mm就车好，它们的连接也就切断。

（8）最后取下该零件，把所有塑料橡胶填充物清理干净，立方体镂空零件加工完成，如图7所示。

图7 加工完成的方套方镂空零件

3 结束语

根据镂空立方体零件的3D建模、工艺制定、加工方法的实践研究，解决了车削加工技术难度，及装夹过程中容易产生变形等特殊问题。通过制订合理的加工方案，最终实践加工效果好，零件的精度也得到了保证。该零件的加工研究为类似镂空零件的车床加工提供了理论的依据和实践方法。

[1]杨 和.车钳工技能训练[M].天津：天津大学出版社，2000.

[2]王 平，叶晓苇.车削工艺技术[M].辽宁：辽宁科学技术出版社，2009.

[3]贾 军，黎胜荣.典型零件数控车加工生产[M].北京：机械工业出版社，2011.

[4]陈宏钧，方向明，马素敏.典型零件机械加工生产实例[M].北京：机械工业出版社，2004.

[5]刘 洁.偏心件车削及夹具设计[J].机械工程师，2012.（06）：123-124.