毛刺问题，通过solidworks教你解决

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某运输齿条零件图及工艺

该齿条零件是某木材切割设备中的输送部件，在工作过程中靠齿面摩擦带动木板投入切削。

为保证齿面与板材均匀接触，对齿顶面平面度和齿顶到底部安装平面的尺寸精度都有较高的要求。该零件属于易损件，需要定期批量更换，对批量加工的精度和效率也有较高的要求。

拟定工艺路线：该零件为铸造毛坯，如图1所示。

图1 齿条零件图

毛坯已铸出斜齿和一些主要结构，需要对齿顶面、两侧面、底面各部进行加工。

根据该零件的结构特点，初步拟定加工顺序为：铣侧面（直）→铣齿面→铣侧面（75°斜面）→铣底面各部→铣齿面三角槽→钻孔。

夹具设计

该零件大部分工序内容为铣削工序，为了提高批量生产效率，需要应用软件为铣齿顶面、铣两侧面、铣底面工序设计3套专用夹具。

1. 铣齿顶面夹具

如图3所示，铣齿顶面夹具由底板、等高块、对中块、限位块、压紧螺栓等零件组成，一次可安装2个工件。底板上设计有2个定位键槽，安装时定位键与工作台T型槽配合，保证夹具定位的准确。底板通过螺栓固定在工作台上。

图2 铣齿顶面夹具

夹具中有等高块、对中块、限位块3组定位元件。等高块与零件底部接触，限制工件沿Z轴平移、绕Y轴旋转两个自由度；对中块与工件侧面接触，限制沿Y轴平移、绕X轴旋转、绕Z轴旋转3个自由度；限位块与工件端面接触，限制沿X轴平移1个自由度。

通过3组定位元件，完全限制工件的6个自由度，实现完全定位。夹具安装完成后，对定位元件表面进行一次走刀加工，可保证各定位元件构成的坐标系与机床坐标系完全统一。

2. 铣两侧面夹具

如图3所示，铣两侧面夹具由底板、对中块、限位块、压紧螺栓等零件组成，先后用于两道铣侧面的加工工序，一次可安装2个工件。

图3 铣两侧面夹具

其定位原理与上述的铣齿顶面夹具基本相同，定位元件由底板、对中块、限位块组成。底板限制沿Z轴移动及绕Y轴旋转2个自由度；对中块限制沿Y轴平移、绕X轴和Z轴旋转3个自由度。

夹具安装完后，用立铣刀侧刃对对中块侧壁进行一次走刀加工，可保证对中块完全与机床Y轴方向平行。

但这里会出现个问题，在进行侧面（75°斜面）铣削工序中，齿面会产生大量毛刺，通过钳工工序可以将毛刺去除，但无法保证所有细小的毛刺都被彻底清除，这些毛刺会对定位产生严重影响，那应该如何解决毛刺问题？

3. 铣底面夹具

如图5所示，铣底面夹具由底板、压板夹紧装置、偏心夹紧装置等部件组成，一次可安装4个工件。

图4 铣底面夹具

为简化夹具结构、提高精度，铣底面夹具的主定位基准（底面）和辅助定位基准（侧面）直接在底板上铣削加工出来。

底面限制沿Z轴平移、绕X轴和Y轴旋转3个自由度；侧面限制沿Y轴平移、绕Z轴旋转2个自由度。

为使工件底面各部可在一次安装中全部加工完成，则沿X轴平移方向无法安排定位元件，故在安装中使用测量块确定工件端面与夹具凹槽侧壁之间的距离，工件夹紧后撤走测量块，并沿Z轴方向及沿Y轴方向设计了压板夹紧装置和偏心夹紧装置，夹紧力指向主定位基准（底面）与辅助定位基准（侧面），提高了定位的可靠性。

而在解决毛刺的问题上，铣底面夹具的设计做到了，在主定位基准（底面）两侧设计凹槽，突出的毛刺在安装中会陷在凹槽中，就不会对定位产生影响了。

毛刺控制

1. 刀具的磨损程度会直接影响毛刺的产生；

2. 当毛刺过多、过大且在切削过程中伴有火星产生时，应及时更换刀片；

3. 在各道工序中，还应充分考虑到毛刺的方向；

4. 当毛刺影响到下道工序定位面时，必须彻底去除，避免影响定位精度。

在设定走刀路径时，可以根据刀具旋转和走刀方向，将毛刺的方向指向待加工表面，这样既可以避免毛刺对定位基准的影响，又可以将毛刺在下一道工序中被切除、减少去除毛刺工作量。

变形与振动控制

该零件在工作中承担木板的输送功能，其齿顶面平面度要求小于0.05mm。工件在装夹时Z轴（垂直）方向的两定位面跨度较大，容易在切削力的作用下引起过大的弯曲变形。通过有限元分析的方法计算切削变形程度，进而调整工艺参数。

1. 有限元静力分析

从齿条的结构上可以分析出，其定位和夹紧面在两端，中间悬空的跨度较大，当铣削到中间位置时变形将达到最大，故取此处作为分析位置。将三维模型导入Simulation有限元静力分析模块，按实际情况加载边界条件，包括：约束、切削载荷等。

图5 按中等网格大小进行划分的有限元静力分析

通过分析得出Z轴方向最大位移为0.086mm，不能满足平面度0.05mm的要求。为降低切削力，减少工件变形，采用减小背吃刀量的方法。在铣齿顶面工序中安排粗铣和精铣两次走刀，吃刀量分别为0.8mm、0.2mm。

通过再次分析计算，精铣最大变形量小于0.02mm，满足精度要求；粗铣最大变形量虽约为0.06mm，但此误差可在精铣中被去除。

2. 振动分析

齿条在加工过程中一旦发生共振，工件表面出现会出现“弹刀纹”，影响表面质量。控制共振必须使工件的固有频率远离激振频率，而激振频率远远低于工件固有频率，不会发生“弹刀”现象。

运用Simulation有限元模态分析模块，按工作情况加载约束、载荷等边界条件，计算得出其前3阶固有频率分别为638Hz、1533Hz、1761Hz。在切削过程中，激振频率有主轴转动及刀片切削产生的振动。

3.程序编制及干涉检查

将三维模型导入中SolidCAM自动编程模块，按实际工艺情况设定毛坯、工件原点、夹具、刀具、切削方法等内容，生成数控加工程序，通过仿真模拟，可以直观地掌握加工情况，并检查刀具是否与工件或夹具发生干涉、工作台移动是否超程。

3套夹具仿真加工结果如图6所示。

图6 SolidCAM仿真加工

（来源夹具侠）

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