伸缩式鞋跟模型设计与加工

何文玲

（广州市公用事业技师学院，广东 广州 510000）

为了满足多种产品加工，小批量的自动化，迫切需要一种灵活的、通用的、能够适用产品频繁变化的机床——数控机床，而数控铣床为单件、小批量高精密复杂零件提供了自动化的加工手段。

作为一种由新兴产业模式催生的新型控制技术，数控加工技术由于其本身具有自动化、精确化和数字化的特征，因此目前已经得到了普通应用。数控机床适用于不同品种及尺寸规格零件自动生产，可利用数控机床加工出设计好的产品模型，供企业作实物样板参考。我国数控技术正随着经济的发展逐渐进步，因此数控机床也逐渐得到了广泛关注。而数控机床的发展也成为当前机械制造业得以持续进步和创新的必经之路，所以需要对其技术进行不断革新，为实现数控的自动化发展奠定良好的技术基础。

1 产品的设计背景

学校提出与企业合作，尝试产教结合的教学模式。企业希望能设计出一款可伸缩式的高跟鞋，并在开模加工前能提交加工好的设计样板。这款高跟鞋能实现高跟与平跟相互切换，既能在重要场合满足高挑身材的需求，又能在平时保证安全性与舒适性，但是要实现鞋跟的可伸缩性，鞋跟的高度要符合人体的舒适度，卡扣的设计必须要稳定。针对这一问题，笔者和数控车间、模具设计的主要负责老师进行研究，根据数控机床加工精度稳定，适合加工多工序部件，工序管理、刀具管理等工作标准化的特点，本次加工将利用数控机床等设备加工出设计样板的模型。下面针对这款鞋跟设计的进展及加工进行探讨。

2 产品基本结构的确定

伸缩式高跟鞋鞋跟主要由一级鞋跟、二级鞋跟、释放开关、主弹簧、卡位弹珠、弹珠盖板、鞋跟盖板和二级弹簧组成，如图1 所示。

图1 鞋跟的组成

本设计主要是将高跟鞋与平跟鞋的优点综合在一起，在不同的场合，使用不同的模式。如需高跟模式，只需按压鞋跟上设置的一级鞋跟释放按钮，隐藏在平跟鞋鞋跟里的二级鞋跟会自动弹出，同时一级鞋跟上有卡位弹珠固定二级鞋纵向位置；如需平跟模式，也只需扳动释放开关，利用身体的重力向鞋跟方向踩压，二级鞋跟就可以缩回隐藏。充分考虑到鞋跟太重带给女性的困扰，所以在设计之初采用极简的弹力机构，既安全舒适又轻松便捷。

3 产品的设计与加工方案确定

3.1 一级鞋跟的加工

一级鞋跟采用方形粗跟，这样鞋跟的平稳度比较高，由于鞋跟的坡度在15°～35°的范围，鞋跟才能稳定，同时不会觉得挤脚。而脚后跟到脚掌的距离在70～90 mm，初定鞋跟中心到脚掌的距离为73.5 mm，鞋跟高度的变化可在19.52～52.4 mm 范围，本产品的设计符合高度要求。

如图2 所示，一级鞋跟既要满足于二级鞋跟的嵌套配合，又必须满足一级和二级鞋跟的伸缩性的要求，即释放开关和卡位弹珠的相互配合，所以在加工时释放开关的配合加工精度要求比较高。由于产品还未大规模生产，不能像真正的产品一样开模生产，故暂时利用铝作原材料，试加工一件鞋跟模型。

图2 一级鞋跟零件图

一级鞋跟的加工步骤：

使用120 mm×40 mm×40 mm 的毛坯材料，使用机床的平口钳装夹。其加工过程分以下几个工序完成。

工序1：铣削鞋跟底面，具体加工步骤如下。

（1）用φ12 的平刀铣鞋跟外形铣，粗加工，刀长75 mm。

（2）继续用φ12 的平刀铣对鞋底平面，粗加工。

（3）用φ16R8 的球刀的平刀铣鞋底侧面和平面，精加工。

（4）继续用φ16R8 刀铣鞋跟底面，精加工。

进行该零件的加工过程中，首先要对零件进行粗加工，其具体的尺寸需要大于零件的最终尺寸。对零件进行半精加工，这主要是为了使粗加工后的残余材料被去除。在进行精加工切削的过程中，选择半径16 mm 的球刀以较高的速度切割，保障零件表面的粗糙程度。

加工鞋跟底面的加工工艺的主要参数见表1。

表1 鞋跟底面加工工艺参数表

工序2：铣削鞋底表面和二级鞋跟配合孔，把工件调转另一面装夹，利用百分表找正，具体加工步骤如下。

（1）用D8 的平刀铣鞋面顶部跟外形，粗加工，刀长75 mm。

（2）用D8 的平刀铣鞋的配合孔，粗加工。

（3）用D8 的平刀铣鞋的配合孔，精加工。

（4）用D8 的平刀铣鞋面外轮廓，精加工。

（5）用φ16R8 的球刀铣鞋面，精加工，刀长75 mm。

进行鞋跟的配合孔加工时，若加工条件允许，则需要尽量采取分层加工的办法，避免加工的刀具对零件产生影响。加工过程中，使用转速较高的主轴可以减少颤振发生，调节不同的刀具可以延伸刀具长度，避开切削的振动频率，最终提高零部件表面加工的品质。

加工鞋底表面和二级鞋跟配合孔的加工工艺的主要参数见表2。

表2 鞋底表面和二级鞋跟配合孔加工工艺参数表

工序3：线切割机床加工释放开关配合槽。

释放开关配合槽由于宽度为8 mm，又有圆弧倒角，故采用线切割的方式加工。在线切割机床上把工件定位、利用百分表调整工件，水平装夹好，再穿丝，从配合孔中间穿过，对刀加工。

工序4：释放开关卡槽的配合孔加工。

释放开关卡槽的配合孔是6 mm×7 mm 的方孔，可采用台钻进行加工，在台钻上把工件装夹完成后，用φ4.8 的钻头钻出尺寸接近的孔，再采用线切割的加工方式把余量加工完成。线切割加工过程中注意定位和百分表找正，保证加工精度。

3.2 二级鞋跟的加工

二级鞋跟因主要考虑与一级鞋跟的配合，所以正方形鞋跟配合部分的配合尺寸已经调小0.1 mm，分别是33.9 mm 和34.9 mm，如图3 所示。

图3 二级鞋跟零件图

二级鞋跟的加工步骤：

考虑到减少换面加工和装夹的难度，使用38 mm×38 mm×43 mm 的毛坯材料，正确安装在平口钳上。其加工过程如下。

（1）用φ12 平刀的铣鞋板外形，粗加工，刀长75 mm。

（2）用φ12 平刀的铣鞋板外形，精加工。

（3）用φ12 平刀的铣鞋跟空心孔，粗加工。

（4）用φ12 平刀的铣鞋跟空心孔，精加工。

（5）反面装夹，利用百分表找正，测量鞋跟高度余量，用φ12 平刀铣鞋跟另外一面，直至高度达到图纸所设置的尺寸。

（6）换面装夹，用φ4R2 的球刀铣鞋跟两侧面的弹珠配合槽，精加工，刀长75 mm。

3.3 其他零部件加工

其他主要零件有弹珠盖板、释放开关和鞋跟盖板，它们都是采用数控铣削的加工方式。由于这3 个零件在尺寸方面的要求并不高，采用的加工方法都是数控铣削，在这就不一一展开叙述，零件图如图4-图6所示。

图4 弹珠盖板零件图

图5 释放开关零件图

图6 鞋跟盖板零件图

辅助零件有弹簧和弹珠，卡位弹珠的直径是5 mm，弹簧用圆柱形压缩弹簧，均采用标准件，不需加工。

3.4 产品的检验与调试

该产品经过反复多次的释放鞋跟、承重和回收鞋跟的试验，不管是高跟还是低跟模式，鞋子一样平稳。鞋跟两种模式切换方便快捷，平时不用二级鞋跟时，处于隐藏状态，美观大方；采用最优结构，轻量的设计理念，基本与普通鞋跟重量一致；机构简单，制作方便，成本低廉，易于推广。

经实验，产品因需要保持鞋跟的坡度在15°-35°的范围，才能保持舒适度，所以鞋跟的伸缩范围相对比较有限，如需调节更高的高度，须进一步改良。

3.5 改进措施

为了保证鞋跟的轻量化要求，可在橡胶鞋内置金属框架，质量轻，强度大的304 不锈钢为上选，这样既可保持质量轻便，又保证鞋跟使用的耐久性。由于鞋跟的长度不同，而造成脚掌倾斜角度须调整的问题，二级鞋跟的伸长量不会太长，所以对角度的影响不大，为完全消除影响，可使用前后鞋底用软胶连接。

4 结束语

在进行鞋跟模型的铣削加工过程中，需要在前期对工件进行加工工艺的优化，同时对加工的品质进行分析。为了使加工过程更加平稳、加工品质更高，需要根据加工的工艺路线改进其工艺流程，使走刀的策略及加工的工序得到进一步优化，从而提高加工工艺系统的刚度，保障加工零件的质量。本次加工不仅使用到数控铣加工，还结合了线切割，释放开关卡槽的配合方孔的精度需要保障，否则会影响伸缩鞋跟的稳定性。

数控加工技术的发展，让实际生产不再局限于单工序加工，复杂繁琐的工件也可灵活加工。实践证明，只有不断总结经验，认真收集设计资料，发挥团队精神，掌握设计原则，才能合理拟出产品的结构方案，正确地制定制造工艺和装配工艺。本论文将数控铣削等知识整体运用在具体设计实践中，具有一定的创新性。