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编者按
根据风量调节手轮的形状和加工特征，在不具备车铣复合加工设备的条件下，采用三轴数控铣床进行功能拓展和技术创新，通过三维建模、设计制作固定夹具以及确定铣削加工步骤等措施，解决了手轮难以固定铣削成形和翻转加工时精准定位的难题。通过与原装进口手轮的对比分析，得出了三轴数控铣床可以对风量调节手轮进行精确加工的结论。
25T型客车风量调节手轮用于卧铺包厢内空调的风量调节，由国外统一进口，然而目前该产品已经停产。由于风量调节手轮需要经常性地启停空调，并且保持旅客列车内的合适风速，使用十分频繁，因而在客车检修时经常发现其有损坏或丢失的现象，须更换新品[1]，随着库存量不断减少，现在已无新品可更换，需要我们自主生产。
图1为风量调节手轮剖视图。应用五轴车铣复合加工技术进行手轮的生产加工，不仅快速便捷，而且容易操作。车铣加工技术相较于铣削技术，具有加工效率高、表面质量好及易于排屑等优点[2，3]。然而受制于工作条件，在工作现场通常无法提供车铣复合加工条件，因而需要单独使用铣床来加工风量调节手轮。
图1 风量调节手轮剖视图
（1）设计夹具 为了保证风量调节手轮的完整性和平整度，需要对手轮的正反两面分别进行铣削处理。风量调节手轮反面的外观特点如图2所示，手轮在加工完反面的轮廓后，在进行正面加工前，需要翻转材料并进行固定，以保证加工手轮平面的平整度以及上下两个水平端面平行。从图2可以观察到，手轮中间的过渡区域做了倒角处理，且表面光滑，该特征不利于铣床台钳的装夹固定，强行装夹铣削会造成铣削过程中材料的倾斜偏移，不能完美地还原原装手轮的形态，甚至使加工材料报废。基于以上原因，设计出特定的手轮装夹器具是加工过程的难点之一。
图2 风量调节手轮反面
（2）铣削步骤 基于自主铣削加工所需要的技术要求，确定铣削加工的步骤也是关键的一环。铣削过程需要考虑风量调节手轮的结构特点，并结合现场铣床条件进行设计，要求铣削步骤具有合理性和可实施性。
（3）二次定位 对该手轮需要进行正反两面的铣削加工，当对调节手轮的反面加工完成以后，需要对工件进行翻转，在这一动作完成后，会不可避免地导致工件与一次摆放位置发生偏移。风量调节手轮正面如图3所示，可以观察到手轮的正面进行了倒角处理，位置的偏移会导致工件在后续的铣削过程中，出现手轮整体形状变形问题，增大了二次定位的难度。
图3 风量调节手轮正面
选用铝合金作为手轮加工材料，原因如下：①铝合金的切削加工方式包括钻削、铣削、车削、镗削和锯削等，其中应用最为广泛的是车削、铣削。②铝合金的切削加工性与铜合金有许多相似之处。③由于铝合金的硬度和强度相对较低，塑性较小，对刀具的磨损小，且热导率较高，使切削温度较低，所以铝合金的切削加工性较好，属于易加工材料，适于较高切削速度切削。
风量调节手轮的加工步骤如下。
（1）反面加工 手轮反面铣削加工步骤如图4所示。在加工中心上编写数控程序，将铝块装夹在铣床的台钳上。①应用φ20mm的三刃铣刀对整个铝平面进行铣削加工，主轴转速为3000r/min，进给速度为1250mm/min。该步骤的目的是保证铝块表面平整，并使高度与手轮反面最高端面齐平，如图4a所示。②对手轮轮廓外部多余的材料进行铣削切除，如图4b所示，铣削出外部轮廓。③采用φ16mm的三刃铣刀铣削手轮凸台上外轮廓多余金属，主轴转速为3000r/min，进给速度为1250mm/min，如图4c所示，该步骤要留有部分余量，以便于手轮中间部分的倒角切割。④用φ7mm钻刀对手轮中心打孔，主轴转速为819r/min，进给速度为250mm/min，如图4d所示。⑤采用φ8mm的四刃铣刀铣削加工凹槽，主轴转速为2000r/min，进给速度为1250mm/min，如图4e所示。⑥铣削手轮中间部分的倒角，用φ16mm的三刃铣刀，主轴转速为3000r/min，进给速度为1250mm/min，铣削至临近倒角的边缘，如图4f所示。⑦更换φ10mm的二刃球头铣刀加工出过渡倒角，如图4g所示。⑧用φ8mm的二刃内R铣刀，主轴转速为3000r/min，进给速度为1250mm/min，加工出手轮反面抓握部分的上圆弧倒角。
a）铣削手轮端面
b）铣削外部轮廓 c）铣削手轮凸台外轮廓
d）手轮中心打孔 e）铣削加工凹槽
图4 手轮反面铣削加工步骤
（2）正面加工 正面加工需要使用夹具对手轮进行固定，根据风量调节手轮的特征，设计了如图5所示的固定夹具，避开了中间的倒角，对手轮的加工做了支撑、固定处理。
图5 固定夹具
由于手轮进行了翻转加工，为了确保之后的铣削加工，需要对刀具进行二次定位。翻转之后的手轮中心有之前加工的贯通孔洞，根据这一位置特点，选用φ7mm钻刀进行定位，不断调整钻刀位置，使钻刀可以在该位置正常旋转运动，完成二次定位。
手轮正面加工步骤如图6所示。应用4刃铣刀、内R刀对手轮进行加工，如图6a、6b和6c所示，铣削出手轮的最终形状。用刻字刀加工标记，完成手轮的加工，如图6d、6e所示。
a）铣削加工凹槽
b）铣削内部倒角轮廓 c）铣削外部倒角轮廓
图6 手轮正面加工步骤
（1）误差分析 铣削加工的风量调节手轮与原件的外观几乎一致，对手轮的几个位置进行标注分区，如图7所示。分别测量原件手轮及4个仿制手轮的尺寸见表1，通过对比可以看出，铣削加工手轮的各部位尺寸误差均控制在0.5mm以内，误差极小。
图7 风量调节手轮标注分区
（2）应用验证 风量调节手轮应用于控制空调风量机器，对铣削加工的多个手轮进行应用试验，结果表明：应用以上方法铣削的手轮可以控制空调风量机器的正常运转，与原件的作用相同。该方法解决了单独应用铣床加工风量调节手轮的难题，并由现场试验可以得出，该方法具有高度的可行性和可实施性。
运用三维建模和数控加工技术，通过对原厂手轮进行1∶1建模，生成数控加工程序，利用数控机床将铝合金块加工成可使用的手轮，在检修作业中替换损坏或丢失的手轮，确保检修作业符合标准。
现场利用自有设备三轴数控铣床，对该配件进行仿制并取得了成功。原手轮为立体五轴数控加工一体成形，现场采用翻转夹持夹具及Next Generation（下一代）技术，通过过程翻转CAM定位的方式，实现了三轴数控铣床加工替代五轴车铣复合加工的效果，将停产部件以极低的成本价格重新生产制作出来，解决了老型进口客车的配件采购难的问题。
参考文献：
[1] 单忠利. 多功能新型手轮在生产现场的应用[J]. 化工管理，2016（7）：189.
[2] BERENJIKR，KARAME，BUDAKE. Investigating high productivity conditions for turn-milling in comparison to conventional turning[J]. Procedia CIRP，2018（77）：259-262.
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