球閥殼體的加工與刀具設(shè)計(jì)

在實(shí)際生產(chǎn)中，球閥殼體零件的內(nèi)球面由于位置特殊，加工難度較大，尤其對(duì)于加工精度要求較高的零件，為了保證加工質(zhì)量，就必須制定合理的加工工藝，并設(shè)計(jì)專(zhuān)用夾具和刀具。本文以球閥殼體的加工為例，介紹一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的內(nèi)球表面車(chē)削加工方法及其刀具設(shè)計(jì)。

1 球閥殼體內(nèi)表面加工方案

殼體零件的內(nèi)表面加工可以采取車(chē)削、銑削、磨削等多種方法。為了加工圖 1 所示的球閥殼體，此前曾采用成形銑刀分別對(duì)球體的兩個(gè)內(nèi)表面進(jìn)行銑削加工，但加工精度未能達(dá)到要求。因此，該零件的加工被列為校內(nèi)科研課題進(jìn)行攻關(guān)。

圖 1 球閥殼體剖面圖

通過(guò)分析，加工該零件內(nèi)表面最理想的方法是采用車(chē)削加工。由于用普通車(chē)床手動(dòng)車(chē)削很難保證球面的尺寸精度和表面質(zhì)量，造成與其它零件配合時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)良好的面接觸，因此必須采用數(shù)控車(chē)削，以保證加工精度。

由于該閥體的內(nèi)表面近似于一個(gè)封閉球體，加工時(shí)刀具進(jìn)出很不方便。如采用普通鑊刀加工，由于刀桿懸伸長(zhǎng)度超過(guò)了75mm，因此很難保證其剛性。因此，合理設(shè)計(jì)刀具是實(shí)現(xiàn)加工的關(guān)鍵步驟。

2 刀具的設(shè)計(jì)

為了便于刀具進(jìn)出工件內(nèi)腔，刀頭的尺寸不宜過(guò)大。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)活動(dòng)刀頭。這種刀頭不僅要解決刀具進(jìn)出工件的問(wèn)題，而且在頻繁的裝拆過(guò)程中，必須確保刀具的位置精度。車(chē)刀的裝配見(jiàn)圖 2。刀桿材料選用45鋼（熱處理至HRC40-45）。車(chē)刀采用中心鉆改制而成。刀頭的槽孔和刀桿的槽均采用數(shù)控線(xiàn)切割加工而成，采用過(guò)渡配合，并用螺釘在一端固定，以保證刀具在 X 方向竄動(dòng)最小。刀頭的分解見(jiàn)圖 3。車(chē)刀在刀頭內(nèi)可沿X方向調(diào)整，并用螺釘固定。

圖 2 車(chē)刀裝配圖

圖 3 刀頭分解圖

3 刀尖圓弧半徑的誤差補(bǔ)償

在實(shí)際加工中，所用刀尖都有一個(gè)半徑不大的圓弧。而在數(shù)控車(chē)削編程中，為了方便起見(jiàn)，通常將刀尖看作一個(gè)點(diǎn)（圖 4 中的A點(diǎn)）。在對(duì)刀時(shí)，一般是以車(chē)刀的假想刀尖作為刀位點(diǎn)，因此，在車(chē)削加工時(shí)，由于假想刀尖與實(shí)際刀具切削點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡不一致，如果不采取補(bǔ)償措施，就可能產(chǎn)生加工誤差。雖然在切削端面、內(nèi)徑和外徑時(shí)不會(huì)產(chǎn)生誤差，但在切削錐面和圓弧時(shí)會(huì)產(chǎn)生少切或過(guò)切。

圖 4 假想刀尖與刀尖圓角（A.假想刀尖B.實(shí)際刀具切削點(diǎn)）

為了消除車(chē)刀刀尖圓角引起的加工誤差，首先要知道刀尖圓角半徑的大小。用刀具測(cè)量?jī)x對(duì)刀尖進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果為 R0.21mm。

加工所用車(chē)床的數(shù)控系統(tǒng)為 Fanuc OI-Mate，具有刀尖圓弧半徑補(bǔ)償功能，因此可用刀具半徑補(bǔ)償指令（G41，C42）進(jìn)行刀尖圓角半徑補(bǔ)償。按照刀具路徑前進(jìn)方向，刀具位于工件右側(cè)，因此應(yīng)采用G42刀補(bǔ)指令。刀具補(bǔ)償與假想刀尖相對(duì)于刀尖圓角中心的方位有關(guān)（共有8種方位），圖 4的方位代碼為3。確定相關(guān)參數(shù)后，先用試切法確定車(chē)刀在X軸和Z軸的位置，并輸人補(bǔ)償值，然后輸人刀尖圓弧半徑R和假想刀尖方位代碼T（見(jiàn)《表 1》）。

數(shù)控加工程序如下：

粗加工程序……

N50 G00 X0 Z37

N60 G42 G01 Z35

N70 G03 X0 Z0 R37 F0.05

N80 G40 G00 Z37

只要按照定好的位置將刀具置位，即可進(jìn)行加工。切削完畢后，通過(guò)直徑φ28的孔拆下刀頭，沿Z軸移走刀桿（X方向不動(dòng)），然后拆下工件，裝上新零件后，再將刀桿置位，裝上刀頭，即可繼續(xù)加工。

檢測(cè)結(jié)果表明，用該方法加工出的球閥殼體零件的尺寸精度和表面質(zhì)量完全合格。

為球閥殼體的大批量加工而設(shè)計(jì)的活動(dòng)刀頭既保證了加工精度（同心度），又便于裝拆（裝拆時(shí)間僅需20多秒），而通過(guò)對(duì)刀尖圓弧半徑的誤差補(bǔ)償，有效保證了圓弧面半徑尺寸的加土精度。這種加工方法適合大多數(shù)有拆卸孔的球閥殼體內(nèi)表面加工。