摘要：带柄不完整球面可以利用数控车床加工，但存在效率低、成品率不高的问题，为此利用立式铣床，通过旋风铣加工方案较好地解决了这一技术问题，加工质量和效率也得到了明显提高。
半球型折角塞门是铁道机车车辆风制动系统的重要配件，产品消耗量大，密封性能和闭合动作要求准确、可靠。阀芯作为其中的一个关键零件，其加工精度的高低，将直接影响产品的使用性能。阀芯制造时，由于在零件的中部带有一个不完整球面，给加工带来了困难。针对阀芯球面利用数控车床加工时存在效率低、加工表面质量不高的问题，设计了在普通立式铣床上专用的旋风铣装置，取得了较好的效果。
1.阀芯结构分析
阀芯材质为铝青铜ZQAL9-4，强度、耐磨性、耐蚀性及铸造性均良好，整体为杆类结构，中部有不完整球面，用于阀门的开启与闭合，半球右端面上的沟槽用于安装橡胶密封垫，阀芯的左端沉孔用来安装弹簧进行复位之用。图1所示为阀芯的结构尺寸要求。
图1 阀芯结构尺寸要求
为了直观地分析产品结构特点，画出阀芯三维结构如图2所示。
图2 阀芯三维结构图
从图2可以看出，阀芯球面结构不完整，约为整球的1/3，采用车削加工时为断续切削，由此产生的离心力将导致机床运转不平稳，影响切削加工精度及表面质量。
2.数控车床半球加工轨迹及程序编制
阀芯加工时，先通过普通卧式车床按图1要求将φ（25-0.065 -0.149）mm外圆及根部圆角R1mm加工到位。选用的数控车床型号为CAK6150C，数控系统为KND。加工时用三爪自定心卡盘夹持已加工好的φ25mm外圆，尾部顶尖顶紧，分粗、精车二次完成。粗车的切削余量为3mm，预留0.5mm加工量，待精加工时加工到尺寸要求。
阀芯数控加工的运动轨迹如图3所示，其中O1为杆身及正向圆弧部分坐标原点，O2为反向圆弧部分坐标原点。
图3 阀芯加工运动轨迹
根据加工轨迹生成如下加工程序：
O0001
（1）粗加工杆身及正向圆弧部分
T0101
N10 G99 M03 S900
N12 M08
N14 G0 X30 Z0
N16 G01 X-1.0 F0.15
N18 G0 X20.5 W1.0
N20 G01 Z-56.0 F0.2
N22 G01 X22.0 W-6
N24 G01 X37.0
N26 G01 W-7.92
N28 G03 X59.0 Z-89 R26.4
N30 G01 W-1.0 F0.2
N32 G0 X200 Z200
（2）精加工杆身及正向圆弧部分
T0202
N10 G99 M03 G900
N12 M08
N14 G0 X19.0 Z2.0
N16 G01 Z0 F0.15
N18 G01 X19.9 W-0.5
N20 G01 Z-56.0
N22 G01 X22 W-6
N24 G01 X35.5
N26 G01 X36.5 W-0.5
N28 G01 W-7.92
N30 G03 X58.5 Z-89 R26.4
N32 G01 W-1.0 F0.2
N34 G0 X200 Z200
（3）粗、精加工反向圆弧部分
T0303
N10 G99 M03 S900
N12 M08
N14 G0 X150 Z-2.0
N16 G0 X37.0
N18 G01 Z0 F0.15
N20 G02 X59.0 Z21 R26.4
N22 G0 X150
N24 G0 Z-2.0
N26 G0 X36.5
N28 G01 Z0 F0.15
N30 G02 X58.5 Z21 R26.4
N32 G01 W1.0 F0.2
N34 G0 X200
N36 G0 Z200
N38 M09
N40 M30
数控车床加工时，被加工件球面不完整，机床运转时有离心力，转速不宜过高，加之数控加工圆弧面时采用了插补原理，使得加工效率不高，表面质量难以达到使用要求。
3.旋风铣球面加工原理
针对数控加工存在的问题，设计出铣床用于旋风铣球面的加工装置。实际加工时，将分度头置于工作台上，利用分度头卡盘将工件小端夹牢，另一端沉孔处配堵头，并用顶尖顶住。机床主轴（连同旋风铣装置）偏转一个角度α（后面另有计算），开动铣床，使主轴旋转，同时手摇分度头手柄均匀旋转，利用铣刀刀尖在围绕轴心旋转的工件上铣削完成，即运用包络法原理加工出球面。
工件加工时的三维立体效果如图4所示。
图4 旋风铣加工球面三维立体效果图
4.主轴偏转角及对刀尺寸计算
采用旋风铣装置加工球面时，机床主轴需偏转一个角度α，根据图5所示的旋风铣加工原理图进行如下计算。
图5 旋风铣加工原理图
5.旋风铣加工装置的设计
旋风铣加工装置主要由刀片4、对刀块2及刀体1等零件组成，具体结构如图6所示。刀体的锥柄部分装入铣床主轴锥孔内，刀体下部开有两条5.2mm×10mm的导槽，用于安装刀片。两刀尖的距离应为球面的弦长尺寸（后面另有计算），必须严格保证。调整时，将对刀块装入刀体定位孔内，用六角头螺栓5进行紧固，当两刀片贴靠到对刀块定位圆柱面后，用内六角头螺栓3对刀片进行紧固。刀片紧固后，可松开六角头螺栓5，取出对刀块。
图6 旋风铣装置装配图
1. 刀体 2.对刀块
3.内六角螺栓M8×16 4. 刀片 5.六角螺栓M12×55
根据以上原理，设计出刀体的结构，如图7所示。
图7 刀体
图8所示为对刀块的具体结构。
图8 对刀块
按照以上设计参数调整机床与刀具的正确位置后进行加工，选择二次进刀，粗加工时切削深度为3mm，主轴转速为600 r/min，粗加工后球面的单边留量为0.5mm，以保证刀尖不易磨损，同时得到所要求的加工表面粗糙度值；精加工时的主轴转速为950r/min，操作时注意手摇分度头时应尽量均匀一致。实践证明，采用旋风铣削加工工艺后，效率得到明显提高，加工精度满足产品图样要求。
6.结语
采用旋风铣加工工艺后，阀芯球面的加工效率和精度较数控加工有了明显提高，产品质量达到了使用要求。具体优点是：①生产效率得到提高。原来在数控车床加工一件阀芯约需30min，现在利用旋风铣工艺只需10min即可完成，工效提高了三倍。②加工精度满足了使用要求。原来加工后的工件其表面加工纹理沿圆周分布，且沟槽较明显，表面粗糙度值Ra=6.3цm，现在生产的工件加工纹理呈圆弧状，在阀芯处于关闭状态时，密封性良好，表面粗糙度值Ra=1.6цm，确保了阀门的使用要求。③克服了不完整球面车削加工时断续切削和离心力引起的机床跳动、运转不平稳等弊端。该装置结构简单、操作方便、使用快捷及成本低廉，实用性强，对同类产品的加工具有一定的借鉴作用。
本文发表于《金属加工（冷加工）》2016年19期34-37页
作者：太原机车车辆配件厂田建忠
