楔环车铣复合加工方法

王永军，张东雷，任飞

山西平阳重工机械有限责任公司 山西临汾 043000

1 序言

楔环连接结构（见图1）应用于热动力航行器相邻两个舱段的连接，由一对带楔形面的开口圆环组成，安装在两个舱段壳体形成的矩形环形槽内。当两个带楔形面的开口圆环做周向相对运动时，轴向距离增加，从而产生轴向压紧力，将两个舱段紧密连接成一体。这种方式连接可靠、装卸方便且结构紧凑，不仅可以满足连接强度的要求，而且连接外表面光滑，有利于减小阻力、降低噪声，因此应用广泛。

图1 楔环连接结构

楔环最早是通过普通设备和钳工手动加工的，第一步由车床车削加工出内、外径，再用手锯在端面开出小于楔环开口尺寸的进退刀槽，按计算出的螺距选配挂轮，按加工螺纹的方法加工楔形面；第二步由钳工修锉大、小端面，保证大端厚度尺寸以及总弧长；第三步利用镗床加工螺纹孔及销孔。这种方法加工效率低，加工精度也不高。随着数控设备的大量应用，机械加工工艺不断改进，楔环的加工方法也有了更好的解决方案，即通过车铣复合一次装夹完成所有加工内容，既高效又精确[1]。

2 零件分析

楔环结构（见图2）是一个带楔形面的开口圆环，圆环内径246mm，壁厚为，大端高度，楔形面倾角1.08°，径向分布有M8×0.75-7H螺纹孔和销孔各一个，楔环展开后的几何图形呈直角三角形（见图3），毛坯料是管料。在这里采用数控车铣复合机床一次装夹完成所有加工要素[2]，加工时一次同时加工一对，既省时又省料。其中加工楔形面时有两种加工方式：铣削模式和车铣复合模式[3]。在加工原理上两种方式都是通过Z轴（直线轴）和C轴（回转轴）联动进行切削，X轴控制径向切削深度实现加工；数控编程方式也基本相同，都采用宏指令编程或CAD/CAM编程，可以方便控制径向（X轴）分层进刀[4]。不同的是铣削模式利用铣刀加工，加工时存在顺、逆铣和刀具刚性的影响，加工出的楔形面质量不太好；而车铣复合模式则是利用车槽刀加工，加工效率高，表面质量也好，因此本文着重介绍车铣复合加工方式。

图2 楔环结构

图3 楔环尺寸示意

3 加工步骤

加工步骤如图4所示。

图4 加工步骤示意

1）装夹毛坯，车端面、外圆及内孔，保证φ246mm、，长度大于两个楔环的总高度与刀宽2mm的和。

3）铣削端面槽，保证展开长度（710±2）mm。

5）切断，同时保证另一只楔环的大小端高度。

4 加工准备

由于本零件重点是加工楔形面，其他部位加工只是常规操作，因此本文只重点介绍加工楔形面方法。

4.1 建立楔形面数学关系式

将楔环按中径展开，螺旋升角与导程和直径的关系如图5所示。

图5 螺旋升角与导程和直径的关系示意

可得出关系式

式中，θ是螺旋升角（°）；T是螺旋导程（mm）；D是楔环中径（mm），即楔环大径和楔环小径的平均值。

也就是说工件每旋转一周，螺旋点的变化趋势是沿周向（C轴）旋转360°，沿轴向（Z轴）移动T，因此可得出C、Z轴的联动关系式

式中，C为实际旋转角度（°）；Z为轴向实际移动距离（mm）；T为工件每旋转一周螺旋点轴向移动距离（mm）。

4.2 坐标值计算

假定以零件回转中心和右端面的交点为坐标系原点（见图6），开口中心为C0，那么，X轴起始点坐标为楔环大径，终点为楔环小径；Z轴的终点坐标由零件图样给定，起点坐标值根据展开图关系式计算得出。比如，楔环小端的轴向高度为A1，大端的轴向高度为A2，楔环展开长度为L，则A1＝A2－Ltanθ，即：Z轴的起始坐标值为Z1＝－A1＝－（A2－Ltanθ），终点坐标值为Z2＝－A2；C轴起点坐标值初定为B1（开口角度的一半），终点坐标值可以用增量坐标H来表示，H＝360°×螺旋轴向起始点与终止点的距离/T，即H＝360°×（A2－A1）/T。

图6 坐标系示意

一般来说，加工时为了方便进刀和退刀，通常都要加入一小段切入、切出距离，编程时也要把这段距离的坐标值计算在内，另外还需要考虑刀具的宽度。假定切入、切出距离在Z轴方向为F，刀具宽度为E，此时，Z轴的起始坐标值变为Z1＝－（A1－F）－E，终点坐标值为Z2＝－（A2＋F）－E；相应地，C轴起点坐标值变化量为360°×F/T，此时C轴的起始坐标值变为C1＝B1－360°×F/T，终点坐标值（增量坐标H）变为H＝360°×[（A2＋F）－（A1－F）]/T。

以右旋C、H值为负，左旋C、H值为正。根据以上结论，得出最终编程中，起点坐标值为Z1＝－（A1－F）－E，C1＝－（B1－360°×F/T）。

终点坐标值为Z2＝－（A2＋F）－E，H＝－360°×[（A2＋F）－（A1－F）]/T。

切入、切出距离在Z轴方向定为0.2 mm，刀具宽度为2 mm，将零件相关尺寸代入计算可得X1=254m ，X2=246mm，T＝3.1415×250×tan1.08°＝14.804（mm），A1＝14.4－710×tan1.08°＝1.015（m m），B1＝360°/2－[360°×710/（3.1415×250）]/2＝17.275°，Z1＝－（1.015－0.2）－2＝－2.815（mm），C1＝－（17.275－360°×0.2/14.804）＝－12.411°，Z2＝－（14.4＋0.2）－2=－16.6（mm），H＝－360°×[（14.4 ＋0.2）－（1.015－0.2）]/14.804＝－335.22°。

根据以上计算结果，得出最终编程的起点坐标值为：Z1＝－2.815、C1＝－12.411，终点坐标值为：Z2＝－16.6、H＝－335.22。

4.3 刀具准备

准备一把2mm宽的车槽刀，为了确保加工时刀具切削刃两侧面与楔形面不发生干涉和摩擦，槽刀切削刃两侧均刃磨有2°～3°的副后角。

4.4 根据计算坐标值编程

根据计算得出的坐标值，编写程序如下。

5 结束语

本文结合具体加工实例，从加工思路、数学关系式建立、坐标值计算、数控程序编制、刀具选用以及加工步骤安排等方面详细介绍了一种楔环的车铣复合加工方法。该方法装夹次数少、加工效率高且加工质量好，为同类零件的加工提供了借鉴。