□张日方（沙洲职业工学院机械系）
在航空零件中，有些工科常具有复杂的型面，如飞机大梁、空气螺旋浆、叶片和凸轮等。
如没有靠模机床，这些工件一般可以设计靠模装置在通用机床上加工。这对于中小型工厂解决缺少特殊设备问题，具有很大的技术经济意义。
设计靠模装置除一般机床夹具的设计原则外，还要考虑诸如选择合理的靠模装置的机构，确定靠模型面、滚轮直径、接触方法以及装置的调整措施等。
按加工时的进给运动及传动机构的工作原理，靠模装置一般可分机械、液压及电气三种形式。本文主要讨论机械式靠模装置及靠模的设计方法。
一、型面类型和靠模机构
工件的型面千变万化，形成却具有一定的规律性。一般可分为三种类型：
旋转型面系指由一曲线作母线(或与轴线相交的直线)绕固定轴线旋转而成的型面。
直线型面系指用一直线沿曲线作平行移动而成的型面(或由一曲线沿垂直于此曲线所在平面的直线作平行移动而成)。可分敝开和封闭的两种。
立体型面系指各个不同截面有不同的轮廓形状的型面。
在设计靠模装置时，首先应根据工件型面的形成方法和类型，分析型面形成所必须的运动，包括主体运动和进给运动，并区分基本进给和辅助进给。一般基本进给由机床实现，而辅助进给则由靠模装置实现。因此根据所采用的机床、工件特点和辅助运动的要求，即可确定合理的靠模机构。
根据使用条件和不同要求，靠模装置的机构有各种形式，(表一)所列可供设计时参考。
二、靠模几何尺寸设计
(一)靠模型面设计中应首先考虑的问题
靠模设计主要是确定靠模的外形，即确定靠模的型面曲线。必须首先考虑下列问题：
1.刀具半径rd的选择
刀具半径如果选择不当，将会直接影响靠模设计以及使用靠模的效果。选择刀具半径的原则是：
刀具半径rd要小于工件型面上最小的圆弧半径R，即rd＜Rmin。
若rd＝Rmin将使切削断面积发生急剧变化，导致振动，影响工件的加工精度(见图1)。
若rd＞Rmin将有一部分金属切不掉(见图2)。
2.滚轮半径rg的选择
滚轮的大小直接影响靠模型面的曲率，因此，应使滚轮半径小于其中心轨迹曲线上的最小曲率半径ρ。
若滚轮半径过大，将缩小靠模的曲率半径，致使靠模变尖，甚至发生干涉而加速磨损(见图3)。但滚轮半径也不能选择过小，太小将使安装滚轮的轴刚性不够，滚轮本身的抗磨性也将变差，通常取rg＝20～30毫米。
3.靠模旋转中心的选择
对于在加工过程中需要旋转的靠模，因其旋转中心位置将直接影响靠模型面的升角，所以选择旋转中心是靠模设计的一个重要问题。
靠模型面上的升角系指基本进给方向与滚轮同靠模接触点切线方向间的夹角。以圆周为基本进给的靠模装置，靠模型面上的升角αa(图4)所示。以直线为基本进给的靠模装置，靠模型面上的升角αb如(图5)所示。升角过大时，如(图6)所示，B点的反作用力N变大，且进给方面上的分力N1也增大，致使刀架溜板在导轨槽中倾斜，在接触点C产生较大的反力Nc，可能使机构损坏。另外，由于反力Nc增大，摩擦力F也随之增大，使溜板的运动困难，因而当升角过大时，运动成为不可能。靠模升角大于45°时，加工困难很大，所以一般只能在小于45°的范围内变化。
当靠模和工件一起转动并构成基本进给运动时，旋转中心可按以下原则选择：
(1)旋转中心应选择在工件的几何中心处；
(2)旋转中心的任一射线不能与工件型面有两个以上的交点。
4.选择合理的进给方式
(1)斜向基本进给，当工件型面的倾斜角较大，若基本进给方向为机床横向，辅助进给方向为机床纵向，则滚轮不易爬行。因此必须改变成适应工件型面倾斜角度的斜向进给，使升角减小。
(2)圆周基本进给，当工件的型面中有一大段为圆弧形，则可将基本进给设计成圆弧进给，使各处的升角保持在很小范围内变化。
5.刀具中心至滚轮中心K值的选择
(图7)所示，常数K的选定，一般决定于装置的结构尺寸，K值的大小直接决定靠模尺寸的大小。改变K值，将改变靠模与滚轮间的运动情况。若将K值增大至K1值，可见滚轮在K1值的靠模型面上跑过的弧长MN＞mn，因而升角α1＜α。
从(图7)可见，在靠模装置结构尺寸允许的情况下，K值可大些，通常取K＝75～150毫米。
6.为了补偿滚轮的磨损以及刀具刃磨后直径的减小，使距离K为一定值，通常将靠模和滚轮作成10°～15°的斜角。如(图8)所示。
(二)靠模型面的设计
靠模型面及尺寸常用作图法或计算法求得。作图法比较简单省事，但不准确，一般精度低于0.2毫米。如放大比例可提高精度。计算法较为精确，但较复杂。在实际应用中，对于简单的靠模用作图法确定外形，对于运动关系复杂、靠模夹具的活动元件较多的各种靠模，一般不采用上述二法，而采用反靠法按标准样件直接制造靠模，然后根据试切的工件检验结果返修靠模外形。(如空气螺旋浆的靠模)。
1.作图法，如(图9)、(图10)所示，步骤如下：
(1)绘出工件成型表面的准确外形，一般放大比例为5∶1，10∶1，20∶1；
(2)从工件的加工轮廓面或旋转中心作均分的或不均分的平行线或辐射线；
(3)在平行线或辐射线上以铣刀半径rd作和工件曲线轮廓相切的圆，得铣刀中心的运动轨迹。
(4)从铣刀中心沿各平行线或辐射线截取长度K的线段，得出滚轮中心的运动轨迹，然后以滚轮半径rd作圆弧，再作圆弧的包络线，即得靠模的轮廓曲线。
(5)当工件型面上有尖点时，靠模型面设计圆弧过渡部分，以保证尖点。
若rd＞rg时，过渡圆弧见(图11)a、b、c。
若rd＝rg时，靠模型面与工件型面大小一致，才能保持尖点。
2.计算法
计算法就是计算出刀具在各个位置上所需要的滚轮中心坐标。一般以点的直角坐标形式或极坐标形式标出。其计算步骤为：
(1)根据所选的旋转中心，按工件的几何尺寸划分计算区间；
(2)找出各区间的计算公式；
(3)按计算公式求出每个区间内的刀具中心坐标；
(4)考虑常数K求出滚轮中心坐标。
应用计算法，计算区间的划分，可求出各对应的角度，也可用作图法绘出。计算间隔的角度，一般为1～2°，根据工件型面变化情况还可适当加密。完后，必须用作图法绘出靠模外形，检查型面转接处的圆滑情况，也是对计算法的复核。
(表二)所列为几种典型靠模的计算公式，供设计计算时参考。
三、滚轮与靠模型面的接触方法
当滚轮直径确定后，必须考虑滚轮与靠模型面的可靠接触方法。应使所加外力能够克服在各种负荷(如切削力、辅助进给部分的重力等)使用下在导轨间产生的摩擦力，同时尽量使外力方向与切削力的水平分力方向一致。
接触方法有以下二种，即强力接触与运动接触。
1.强力接触。滚轮与靠模接触是靠外力保证的。外力可以由配重或弹簧产生。如(图12)所示，当重力与切削力方向相反时，外力(配重、压力弹簧或拉力弹簧)必须克服运动摩擦力和切削刀，使滚轮与靠模保持接触，此时所需的外力较大。又如(图13)所示，当重力与切削力方向相同时，外力(压力或拉力弹簧)只需克服运动摩擦力就能保持滚轮与靠模接触。显然，(图13)所示的接触方法，外力无需很大，只要保证在空行程中滚轮与靠模接触就够了，这种机构较紧凑，比较常用，适合于精加工。
2.运动接触。滚轮与靠模无需加外力就能保证接触。如(图14)所示，可采用调整法使滚轮和靠模保持一定的配合间隙。这种接触方法可减少因工件的不均匀余量而引起的振动，故适合于粗加工。缺点是制造成对靠模板比较困难，且滚轮与靠模板的间隙将引起加工误差。
四、靠模装置中的调整问题
靠模装置在使用中的磨损与刀具重磨都会引起加工误差，所以设计必须考虑调整和补偿进刀机构，为了便于卸件还应考虑退刀结构。调整方法有：
1.调整滚轮和刀具的相互位置；
2.调整工件和靠模间的相互位置；
根据上述要求，设计靠模装置时须考虑留有调整余地，如靠模安装孔制造成长形孔等。调整完的靠模装置必须在加工合格工件后方可投入正式生产。
五、靠模的材料、精度及表面粗糙度要求
靠模所用材料、热处理、精度和表面精糙度要求以及应用范围见(表三)。
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发表于 2005-1-25 10:14
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