惠紅平，吳斯文，莊百亮

（中國(guó)機(jī)械科學(xué)研究總院 江蘇分院，江蘇 常州 213164）

0 引言

導(dǎo)軌作為承受、固定、引導(dǎo)移動(dòng)裝置或設(shè)備并減少其摩擦的一種裝置，在現(xiàn)代社會(huì)中被泛應(yīng)用，隨著不斷發(fā)展，導(dǎo)軌運(yùn)行長(zhǎng)度要求越來(lái)越長(zhǎng)。針對(duì)運(yùn)行長(zhǎng)度比較大的場(chǎng)合，一般采用多段導(dǎo)軌連接去滿足這種需求，榫卯連接就是比較常用的一種連接方式。而導(dǎo)軌榫槽結(jié)構(gòu)的精度是多段導(dǎo)軌連接后長(zhǎng)距離運(yùn)行精度的基本保障。實(shí)際大批量加工榫槽結(jié)構(gòu)過(guò)程中，需要考慮加工工件的表面加工質(zhì)量及加工效率。

本文以采用矩形截面的陰榫和陽(yáng)榫進(jìn)行連接的電梯導(dǎo)軌為例，介紹了一種電梯導(dǎo)軌陽(yáng)榫結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有加工工藝，并針對(duì)該工藝所產(chǎn)生的毛刺現(xiàn)象進(jìn)行工藝優(yōu)化，在滿足精度要求的條件下，提高生產(chǎn)效率。

1 技術(shù)要求

某實(shí)際生產(chǎn)中的電梯導(dǎo)軌工件結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文主要在導(dǎo)軌兩邊分別加工陰陽(yáng)榫結(jié)構(gòu)，有以下特點(diǎn)。

圖1 電梯導(dǎo)軌榫槽結(jié)構(gòu)

1）加工精度高。榫槽結(jié)構(gòu)兩側(cè)面A、B（A′、B′）要求表面粗糙度為Ra6.3 μm，對(duì)稱度為0.1 mm，兩導(dǎo)軌連接時(shí)相互接觸的表面要求為Ra6.3 μm，與基準(zhǔn)C的垂直度為0.1 mm。

2）加工余量較大。圖1所示導(dǎo)軌右邊的陽(yáng)榫結(jié)構(gòu)需要將兩邊的余量切除，由于是大批量生產(chǎn)，需要考慮生產(chǎn)效率及無(wú)人自動(dòng)化操作等問(wèn)題。

2 現(xiàn)有工藝分析

如圖2所示，現(xiàn)有加工工藝采用銑削方式對(duì)陽(yáng)榫結(jié)構(gòu)加工。

圖2 現(xiàn)有加工工藝示意圖

將導(dǎo)軌通過(guò)輸送線送入夾具中，依靠定位板定位，頂面壓緊油缸和側(cè)面油缸壓緊導(dǎo)軌，然后采用專用銑刀對(duì)導(dǎo)軌端面進(jìn)行銑削加工，保證陽(yáng)榫結(jié)構(gòu)的平行度和垂直度要求。實(shí)際加工中的切削參數(shù)如表1所示。

表1 切削參數(shù)值

電梯導(dǎo)軌材料為Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，在加工過(guò)程中容易發(fā)生塑性變形。當(dāng)切削厚度和刀刃圓弧半徑在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，刀刃會(huì)在加工過(guò)程中對(duì)工件施加剪切力和擠壓力，當(dāng)切削到工件邊緣時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)剪切區(qū)域，導(dǎo)致工件邊緣壓潰[1]，進(jìn)而加工區(qū)域發(fā)生塑性形變并產(chǎn)生圖3所示的毛刺現(xiàn)象。

圖3 現(xiàn)有工藝加工后的電梯導(dǎo)軌

美國(guó)學(xué)者Gliiespie[2]研究了加工過(guò)程中刀具與工件的工作機(jī)理，按照不同發(fā)生機(jī)理將毛刺分為4種類型。

1）泊松毛刺。材料在加工過(guò)程中，刀具切削刃可以看作是半徑很小的圓柱，當(dāng)切削進(jìn)給時(shí)，材料被擠壓，發(fā)生永久塑性變形，毛刺沿著刀具表面逐漸生成。

2）翻轉(zhuǎn)毛刺。作為最常出現(xiàn)的毛刺，本質(zhì)上是被刀刃推出切削軌跡的切屑。

3）撕裂毛刺。銑削加工中常出現(xiàn)撕裂毛刺，在加工時(shí)切屑與工件分離過(guò)程中，切屑與工件材料保持連接并繼續(xù)拉伸直到斷裂，留在工件加工表面的殘留金屬成為撕裂毛刺。對(duì)于較淺的切削深度，撕裂毛刺可以被認(rèn)為與翻轉(zhuǎn)毛刺類似。

4）切斷毛刺。在加工結(jié)束之前，工件就與原材料分離，導(dǎo)致有殘余未切割的材料留在工件表面，成為切斷毛刺。保證工件與材料不會(huì)在完全切斷之前分離，就可以防止切斷毛刺產(chǎn)生。

按照這種劃分方式可以判斷出導(dǎo)軌銑削加工后出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)毛刺。Chen Ni等[3]通過(guò)對(duì)銑削過(guò)程進(jìn)行有限元仿真發(fā)現(xiàn)，在不斷向槽口進(jìn)給時(shí)，槽口中部會(huì)出現(xiàn)間隙，左右兩側(cè)的材料發(fā)生明顯的塑性變形，切屑粘在工件表面，會(huì)形成翻轉(zhuǎn)毛刺。電梯導(dǎo)軌進(jìn)行銑削加工時(shí)，隨著刀具從上向下的移動(dòng)，在銑削面中部會(huì)出現(xiàn)間隙，導(dǎo)致塑性變形的切屑無(wú)法被正常切斷排出，本該被切斷排出的切屑隨著加工過(guò)程不斷發(fā)展，粘在工件表面并形成翻轉(zhuǎn)毛刺。導(dǎo)致后續(xù)需要進(jìn)行人工去毛刺處理，最終影響生產(chǎn)節(jié)拍，降低了生產(chǎn)效率，提高了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

3 工藝優(yōu)化

通過(guò)分析現(xiàn)有工藝加工過(guò)程可知，為防止毛刺的產(chǎn)生，可以通過(guò)兩個(gè)方面優(yōu)化工藝：1）增加加工系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)剛度；2）減小切削用量。

3.1 增加結(jié)構(gòu)剛性

張永亮等[4]針對(duì)弱剛性工件的加工，采用柔性輔助支撐增大剛度，通過(guò)有限元仿真研究不同支撐對(duì)工件加工的影響，并且通過(guò)試驗(yàn)證明，增加輔助支撐可以抑制加工變形，改善加工質(zhì)量。

分析現(xiàn)有工藝方案后發(fā)現(xiàn)，在加工過(guò)程中，加工位置會(huì)有約10 cm的工件處于懸空狀態(tài)，剛度較小，加工過(guò)程中工件受到切削力作用，會(huì)發(fā)生變形，無(wú)法保證工件加工表面的精度。需要重新設(shè)計(jì)機(jī)床夾具，在夾具與刀具之間不發(fā)生干涉的前提下保證工件具有足夠的剛度，不會(huì)發(fā)生顫振[5]。

3.1.1 方案

重新設(shè)計(jì)的工件裝夾方式如圖4所示。在工件懸空位置增加擋塊，利用液壓缸提供支撐減小工件在加工過(guò)程中的變形。保證擋塊與銑刀之間的距離，留出加工余量，避免出現(xiàn)加工干涉。

圖4 增加剛度方案示意圖

3.1.2 加工結(jié)果與分析

采用增大剛度的方案進(jìn)行加工，切削參數(shù)與現(xiàn)行工藝一致，所得到的工件表面如圖5所示。

圖5 增加剛度后的表面加工質(zhì)量

在增大工件剛度后，表面毛刺有所減少，但加工質(zhì)量達(dá)不到預(yù)期效果，檢測(cè)后陽(yáng)榫兩側(cè)面的對(duì)稱度達(dá)到要求，但表面粗糙度為Ra7.2 μm，且表面仍有一些細(xì)小毛刺。

在進(jìn)行導(dǎo)軌銑削加工時(shí)，毛刺產(chǎn)生的重要原因是刀具與工件之間缺乏足夠的相互作用；同時(shí)為了增大工件剛度而設(shè)置的擋塊由于要避免加工干涉，工件需要有一段處于懸空狀態(tài)，不可能對(duì)工件做到完全支撐。因此增大工件剛度的方案最后加工效果達(dá)不到預(yù)期。

3.2 減小切削用量

3.2.1 方案

要提高加工效率，就需要提高銑削過(guò)程中每齒進(jìn)給量及背吃刀量。但是孫雅洲等[6]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增大這些切削量會(huì)導(dǎo)致毛刺明顯變長(zhǎng)，同時(shí)也無(wú)法保證工件加工表面質(zhì)量。

要控制減少銑削毛刺的出現(xiàn)，需要對(duì)加工順序、走刀方式、刀具材料及切削速度等各個(gè)方面進(jìn)行綜合考量[7]。因此減小切削用量的方案中，如采用銑削工藝會(huì)導(dǎo)致加工效率降低，不符合企業(yè)大批量生產(chǎn)的需要，需要改變加工工藝。

拉削是利用特制的拉刀依次從工件上切下很薄的金屬層，使加工后的工件表面有較高的尺寸精度和較低的表面粗糙度值，達(dá)到一次成形的加工效果，可以完成復(fù)雜形狀（如鍵槽、花鍵、特殊輪廓）[8]。這種方法的加工特點(diǎn)有如下幾點(diǎn)：

1）生產(chǎn)效率高。相比于其他加工方式所使用的刀具，在加工過(guò)程中，拉刀是多個(gè)刀齒同時(shí)參加切削工作，加工效率較高，適合大批量生產(chǎn)。

2）拉削加工只有拉刀做直線運(yùn)動(dòng)，所以拉床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。

20世紀(jì)80年代開(kāi)始，我國(guó)各地相繼創(chuàng)建大批以經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)為主的經(jīng)濟(jì)功能區(qū)。經(jīng)濟(jì)功能區(qū)是由政府主導(dǎo)，利用資源豐富、交通便利、信息暢通等相對(duì)區(qū)位優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行集中投入、連片開(kāi)發(fā)，實(shí)行特殊經(jīng)濟(jì)政策及管理模式的地區(qū)或城市的特定區(qū)。經(jīng)過(guò)幾十年實(shí)踐發(fā)展，經(jīng)濟(jì)功能區(qū)管理模式日趨穩(wěn)定成熟，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的影響不斷增大，特別是聚集起大量高新產(chǎn)業(yè)人員、技術(shù)、裝備，國(guó)防動(dòng)員潛力資源日益豐厚，成為新時(shí)期推進(jìn)基干民兵（簡(jiǎn)稱“民兵”，下同）編組“三個(gè)拓展”，編建民兵新質(zhì)力量的新型陣地，急需加強(qiáng)對(duì)經(jīng)濟(jì)功能區(qū)民兵建設(shè)的研究。

3）加工精度較高、表面粗糙度值較低。拉削的切削速度一般較低，同時(shí)每個(gè)切削齒的切削厚度較小，只要保證拉刀的容屑槽設(shè)計(jì)合理，就可以保證工件的加工質(zhì)量。且拉刀具有校準(zhǔn)部，其作用是校準(zhǔn)尺寸，修光。

4）加工范圍較廣。拉削不但可以加工平面和沒(méi)有障礙的外表面，還可以加工各種形狀的通孔，所以拉削的加工范圍較廣。

5）拉削加工時(shí)，加工余量從工件基體分離形成切屑。拉刀一般設(shè)計(jì)有尺寸足夠的分屑槽和容屑槽，保證在加工過(guò)程中切屑的斷裂和收集，在加工完成后統(tǒng)一被清洗收集。

通過(guò)對(duì)拉削加工工藝的特點(diǎn)進(jìn)行分析，初步確定拉削工藝能夠滿足電梯導(dǎo)軌陽(yáng)榫的加工要求。接下來(lái)開(kāi)始拉削生產(chǎn)設(shè)備開(kāi)發(fā)，目前拉削工藝主要有分層式及分塊式兩種方式[9]。

分層式拉削要求拉刀將加工余量按照一層一層的順序逐漸去除，拉刀的每個(gè)刀齒都有齒升量，保證最后的尺寸精度及表面粗糙度。根據(jù)拉刀刀齒的不同形狀，還可以分為成形式與漸成式。成形式要求拉刀刀齒的輪廓與工件要求的廓形相似，只要最后一個(gè)刀齒切除所要求的工件廓形，優(yōu)點(diǎn)在于拉刀容易制造且表面加工質(zhì)量好。而漸成式的拉刀通常做成簡(jiǎn)單的圓形或直線形，再去掉多余的部分，但相對(duì)而言表面加工質(zhì)量較差。

對(duì)于電梯導(dǎo)軌只需要采用分層式拉刀就能達(dá)到精度要求，所設(shè)計(jì)的拉刀如圖6所示。

圖6 拉刀設(shè)計(jì)方案（全長(zhǎng)1238 mm）

在拉削加工導(dǎo)軌過(guò)程中，每個(gè)刀齒的切削深度很小，符合方案要求，同時(shí)由于是一次加工成形，加工效率較高。如圖7所示，工件采用增加輔助支撐的方式進(jìn)行裝夾。拉床加工的切削參數(shù)如表2所示。

表2 立式拉床切削參數(shù)

圖7 立式拉床

3.2.2 加工結(jié)果與分析

采用減小切削用量的方案進(jìn)行加工后，所得到的工件表面如圖8所示。

圖8 拉削加工工件

拉削加工后的工件表面基本沒(méi)有毛刺出現(xiàn)，經(jīng)檢測(cè)表面粗糙度能達(dá)到Ra3.2 μm，滿足工件精度要求。加工過(guò)程中，加工余量從工件基體分離形成切屑。拉刀設(shè)計(jì)有尺寸足夠的分屑槽和容屑槽[10]，切屑在加工完成后統(tǒng)一被清洗收集。保證了良好的加工環(huán)境，同時(shí)省去了人工后續(xù)的清潔流程，便于實(shí)際大批量生產(chǎn)加工，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

以電梯導(dǎo)軌陽(yáng)榫結(jié)構(gòu)為例，介紹了導(dǎo)軌加工中出現(xiàn)表面問(wèn)題的優(yōu)化過(guò)程。從現(xiàn)行工藝出發(fā)，分析目前工藝存在的問(wèn)題，確定從增大工件剛度及減小切削用量?jī)蓚€(gè)方面優(yōu)化加工工藝。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)增大工件剛度對(duì)于防止毛刺產(chǎn)生有效果，但還達(dá)不到工件表面的精度要求，表面仍然有細(xì)小毛刺產(chǎn)生；為實(shí)現(xiàn)減小切削用量且不影響加工效率，改變加工工藝，采用拉削方式加工，工件表面加工質(zhì)量有明顯提升，基本不再產(chǎn)生毛刺，生產(chǎn)效率由原本的60 s/件提高到30 s/件，大幅度提高了生產(chǎn)效率。