加工中心在變速器箱體加工中的應(yīng)用
1 概述
變速器箱體是機械式傳動壓路機上的重要零件，其加工質(zhì)量的好壞將直接影響到壓路機傳動系統(tǒng)的使用效果。我公司產(chǎn)品所使用的變速器箱體（圖1）材料為ht200。該變速器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便和動作可靠的特點。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我公司所產(chǎn)的lss系列振動壓路機上。以往箱體加工是在龍門刨床、鏜床和鉆床上完成平面、軸承擋孔和連接孔的加工，生產(chǎn)效率低且加工質(zhì)量難以保證，為解決上述問題，我公司引進了以太韓國大宇公司制造的ace hm800臥式加工中心進行箱體加工，取得了很好的應(yīng)用效果。
2 零件工藝過程分析及工序安排
箱體類工件具有以下幾個特點：一是加工內(nèi)容多，需頻繁更換機床、刀具；二是加工精度要求高，采用普通機床加工質(zhì)量難以保證，且由于工藝流程長，周轉(zhuǎn)次數(shù)多，生產(chǎn)效率難以提高；三是形狀復(fù)雜，且大部分為薄壁殼體，工件剛度差，較難裝加。采用數(shù)控加工中心進行箱體加工，憑借加工中心自身的精度和加工效率高、剛度好和自動換刀的特點。只要制定好工藝流程，設(shè)計采用合理的夾具和刀具，就*可以解決上述問題。鑒于該設(shè)備為雙工作臺，因此，我們將該工件b、c面上各種加工要素加工放在01工作臺上完成（加工工序1），其余g、h及排擋側(cè)面的加工要素放在02工作臺上完成（加工工序2），根據(jù)上述工序安排，設(shè)計相應(yīng)的夾具。
3 毛坯準備
工件上加工中心前的準備工序由其它設(shè)備來完成，如零件圖1上g、h兩側(cè)面的粗加工，放在普通機床上加工，這樣一是減少了大余量加工造成的熱變形；二是為了加工中心提供了必要的定位基準；三是提高了加工效率。兩側(cè)面刨完后，以g面為基準（與加工中心加工時基準一致）將工件平放鉗工臺上，鉗工按圖1劃出b、c面精加工線及箱體k、h（兩側(cè)）各面中心基準線，供加工中心校正用。
4 工序1夾具的設(shè)計和使用及加工工藝過程
4.1 工藝過程及夾具的結(jié)構(gòu)和使用
按照前文所述，工序1的加工工序主要包括b、c面精銑，以及c面上6-φ18孔（f）的鉆削。為提高加工質(zhì)量和效率，針對該工序的加工特點設(shè)計了一套夾具（圖2），該夾具由壓板1彈性定位銷2、定位銷3、彈性定位銷4調(diào)整螺栓5和底板6組成。使用時，工件d面平放在四個高度可調(diào)的定位銷3組成的平面上，夾具上有兩個彈性定位銷2、4與工件上d、e孔配合，即形成一個典型的一面兩銷定位，定位銷2、4設(shè)計成彈性的，這是因為工件基準孔為毛基準，其鑄造孔徑是不規(guī)則的，由于定位銷具有彈性，即使孔徑變化，工件g表面仍然能夠靠平在4個定位銷組成的平面上，從而使工件能夠快速初定位。該夾具為采用孔系組合夾具，可快速拼裝和調(diào)整，并具有定位精度高，加緊牢固可靠，適合小批量多品種的生產(chǎn)特點。
4.2 工件校正
以刀庫中的鉆頭為校正工具，并使主軸以1000r/min的速度旋轉(zhuǎn)，在兩側(cè)f面水平基準線起止處鉆頭微切工件表面進行試切，根據(jù)試切點與基準線的相對位置，確定工件左右中心線是否在同一水平上，校正號工件f面兩側(cè)水平后，工作臺旋轉(zhuǎn)90°位置，采用同樣的方法校正工件b、c兩面基準線。zui后移動z軸，校正工件h面中心基準線，看劃的線是否在中心上，如果不在，松或緊夾具上的調(diào)整螺栓5，微調(diào)工件位置，直到校正為止。各基準線均校正好后，用壓板1將工件壓緊。
4.3 工件坐標找正
較正好工件后，需要找正b、c兩個加工面的工件坐標系，設(shè)定工件c面坐標系位g54，b面坐標系位g55，選擇功能開關(guān)至手動輸入位置（mdi），讓工件b面面向主軸，調(diào)用鉆頭刀具，鉆頭對準箱體上事先劃好的x和y軸方向中心線，然后看nc顯示器上機械坐標的x軸和y軸坐標值，并在工件坐標系g55中輸入該x坐標值，然后用1250mm（機床x軸圓點坐標）減去x軸坐標所得的數(shù)值輸入g54坐標系的x坐標。由于工件水平方向已經(jīng)校正，因此，兩坐標系中的y坐標值相同，按照顯示器線實的坐標值輸入兩坐標系即可。兩坐標系的z坐標值采用試切的方法確定。
5 工序2夾具的設(shè)計和適用及工藝過程
該工序的主要加工工藝是個軸承孔的鏜削加工，g、h及排擋側(cè)面的銑削加工及各面上聯(lián)接孔的鉆孔及攻絲。此工序的夾具（圖3）主要是由壓板1、墊板2、定位銷3、底板4構(gòu)成，校正后緊固在02工作臺上。具體使用方法是：工件加工好的c底板平放于02號工作臺夾具的墊板2上，并以夾具上兩個定位銷3為定位基準插入工件上上道工序已加工好的2個f孔中，由于2個f孔的形位精度和尺寸精度較高，這樣就可以將工件定位在夾具上，同時用墊板2上的4個螺栓與其余4個孔配合，上緊螺母，為提高裝夾剛度，再用夾具上4個壓板1壓緊工件，這樣就將工件牢牢地固定在夾具上。調(diào)出相應(yīng)加工程序，執(zhí)行程序即可加工箱體工序2的各加工要素了。夾具再設(shè)計時嚴格確保了夾具中心、側(cè)面基準與工作臺中心、側(cè)面基準高度一致，這樣2個定位銷的中心就可以看作為工作臺的中心，通過采用2個定位銷定位，工件裝夾后，工件中心與工作臺中心基本重合，工件在加裝后就不需要進行校正了，從而提高了工件的定位精度和加工效率。
該工序有3個加工面，因此，工件坐標系分別確定為g56、g57、g58，由于該箱體基本上屬于對稱結(jié)構(gòu)，因此，x坐標的選取是工件的中心，我們將x軸坐標值取機床第2參考點，即主軸中心與工作臺中心對應(yīng)的位置，x坐標值為625mm（即1250mm的一般），分別輸入以上3個坐標系中，y軸坐標值以工件上φ150孔中心為基準選取，z軸坐標值同樣采用試切的方法確定，并分別輸入相應(yīng)的坐標系中。
6 程序編制
加工中心具有自動換刀裝置，能在工件一次裝夾自動完成銑、鉆、鏜、鉸、攻螺紋等工序，具有高生產(chǎn)力和質(zhì)量穩(wěn)定性的特點。為充分發(fā)揮加工中心率、多功能的特點，應(yīng)在加工程序設(shè)計上注意工序的劃分和工藝方法的合理性，它直接關(guān)系到加工中心的使用效率、加工精度、刀具數(shù)量和經(jīng)濟性等問題，盡量做到工序集中、工藝路線zui短、機床停頓時間和輔助時間zui少。設(shè)計程序時，應(yīng)將一次換刀作為一個工步，并注明加工內(nèi)容和要保證的尺寸要求。工步與工步之間增加m01指令，與機床上的option-al stop開關(guān)配合使用，機床換刀后停止運行，可檢驗換刀的準確性，以對程序進行充分驗證，批量加工時只需將optional stop開關(guān)關(guān)閉，程序仍執(zhí)行連續(xù)運行模式。粗銑平面時，加工余量較大，工件會產(chǎn)生較大的熱變形，應(yīng)將粗、精銑分開，使零件能夠充分冷卻。設(shè)計鉆孔程序時，應(yīng)考慮孔的加工精度要求，對于精度要求一般的孔加工，可以不使用中心鉆預(yù)鉆。鑒于鉆孔后還要攻絲，因此，可將各孔位置編成子程序，采用m98指令呼叫到主程序中，即可方便的重復(fù)使用，又可減少編成時坐標的錯誤。在機床功率許可的情況下，螺孔全部采用剛性攻絲方式，以提高加工效率。精鏜孔時，由于一般使用單刃鏜刀，編成時還應(yīng)注意幾個問題：一是當手工在主軸位置裝刀時，應(yīng)先用m19指令時主軸遞給，然后讓刀尖朝內(nèi)（即背對操作者）進行安裝；二是采用g76指令編成時，應(yīng)設(shè)定相應(yīng)q值，鏜孔完成后，主軸會向刀尖相反的方向移動以定位值（q）值，退刀時，可避免刀具劃傷孔表面。由于該工件個 對稱孔的同軸精度要求較高，精鏜孔時，應(yīng)采用不調(diào)頭的形式鏜兩側(cè)孔。如果兩側(cè)孔直徑相同，就可以使用一把刀采用直鏜的形式完成兩側(cè)孔的加工，如果兩側(cè)孔徑不同，在編制加工程序時可以先鏜孔徑大的一頭孔，然后換刀（對稱孔小孔的精鏜刀），工作臺不換位，利用鏜大孔的x、y坐標，通過設(shè)定適當?shù)膠坐標，使鏜刀從大孔一端直伸過去，完成另一側(cè)小孔的鏜削。這樣，由于采用同一個平面坐標系和同一主軸坐標，消除了調(diào)頭加工工作臺回轉(zhuǎn)的誤差，因此，可以確保獲得很高的同軸度的加工精度。采用這種方法有一個前提：即兩孔間距不能過大，否則會因刀桿過長，在加工時引起振動反而影響加工精度。加工程序總的設(shè)計原理是：遵循由粗漸精的原則，*行粗加工、重切削，去除毛坯上大部分加工余量，然后安排一些發(fā)熱量小、加工要求不高的部位，使零件在精加工之前有充分的時間冷卻，zui后再進行精加工。該工件的加工程序順序為：粗銑各平面—鉆孔—攻絲—粗鏜孔—精銑—精鏜孔。
7 切削用量選擇
粗加工時，再工藝系統(tǒng)剛性和機床功率允許的條件下，盡可能選取較大的卻削深度，較高的進給量。一般選擇的切削深度為5~6mm，主軸轉(zhuǎn)速s為200~300r/min，粗銑平面時主軸移動速度f為300mm/min，粗鏜孔時主軸移動速度f為200mm/min；精加工時為了獲得較好形位精度和表面粗糙度，切削深度可以小一些，一般選擇為0.3~0.5mm，主軸轉(zhuǎn)速s為300~450r/min，精銑平面主軸移動速度f為220mm/min，精鏜加工孔時主軸移動速度為100~150mm/min；鉆孔時主軸移動速度為300mm/min；攻絲時主軸移動速度為主軸轉(zhuǎn)速乘以螺距，該數(shù)值不能有小數(shù)點。
8 刀具選擇
面銑刀、鏜刀選用機夾可轉(zhuǎn)位刀具，刀片材料為硬質(zhì)合金或涂層刀片。鉆頭和攻絲選用內(nèi)冷式硬質(zhì)合金整體式刀具。采用不調(diào)頭法加工兩面對稱孔時，由于刀桿較長，長刀桿可以通過不同需要按照模塊化刀柄、刀桿系統(tǒng)進行組合；同時，為降低切削時的振動，應(yīng)選用重金屬減振刀桿或阻尼減振刀桿。加工中心所有刀具盡量選用中的標準刀具。刀具規(guī)格、刀具代號和該刀具所要加工的內(nèi)容，應(yīng)列表記錄下來，供編成時使用。同時，刀庫中所有使用的刀具都必須使用對刀儀進行檢測，并將數(shù)據(jù)輸入offset內(nèi)的刀具補償值中。從性價比上考慮，粗加工時由于毛坯余量大，加工精度要求低，盡量采用國產(chǎn)刀具，如粗銑刀、粗鏜刀。精加工時為提高卻削效率，獲得較好的表面加工質(zhì)量，刀具的品牌可以選用伊斯卡、肯納、瓦爾特、山特維克等。
9 結(jié)論
采用加工中心加工箱體，批量生產(chǎn)后，每個工件加工時間約為2h，僅為過去加工時間的1/6，加工效率得到極大的提高。此外，由于機床精度自身的保證，*消除了接刀痕，各軸承擋之間的同軸度也得到了有效的保證，從而使變速器箱體的加工質(zhì)量得到了顯著的提高，夾具設(shè)計簡單、實用，使用方便，取得了較好的應(yīng)用效果。
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2 零件工藝過程分析及工序安排
箱體類工件具有以下幾個特點：一是加工內(nèi)容多，需頻繁更換機床、刀具；二是加工精度要求高，采用普通機床加工質(zhì)量難以保證，且由于工藝流程長，周轉(zhuǎn)次數(shù)多，生產(chǎn)效率難以提高；三是形狀復(fù)雜，且大部分為薄壁殼體，工件剛度差，較難裝加。采用數(shù)控加工中心進行箱體加工，憑借加工中心自身的精度和加工效率高、剛度好和自動換刀的特點。只要制定好工藝流程，設(shè)計采用合理的夾具和刀具，就*可以解決上述問題。鑒于該設(shè)備為雙工作臺，因此，我們將該工件b、c面上各種加工要素加工放在01工作臺上完成（加工工序1），其余g、h及排擋側(cè)面的加工要素放在02工作臺上完成（加工工序2），根據(jù)上述工序安排，設(shè)計相應(yīng)的夾具。
3 毛坯準備
工件上加工中心前的準備工序由其它設(shè)備來完成，如零件圖1上g、h兩側(cè)面的粗加工，放在普通機床上加工，這樣一是減少了大余量加工造成的熱變形；二是為了加工中心提供了必要的定位基準；三是提高了加工效率。兩側(cè)面刨完后，以g面為基準（與加工中心加工時基準一致）將工件平放鉗工臺上，鉗工按圖1劃出b、c面精加工線及箱體k、h（兩側(cè)）各面中心基準線，供加工中心校正用。
4 工序1夾具的設(shè)計和使用及加工工藝過程
4.1 工藝過程及夾具的結(jié)構(gòu)和使用
按照前文所述，工序1的加工工序主要包括b、c面精銑，以及c面上6-φ18孔（f）的鉆削。為提高加工質(zhì)量和效率，針對該工序的加工特點設(shè)計了一套夾具（圖2），該夾具由壓板1彈性定位銷2、定位銷3、彈性定位銷4調(diào)整螺栓5和底板6組成。使用時，工件d面平放在四個高度可調(diào)的定位銷3組成的平面上，夾具上有兩個彈性定位銷2、4與工件上d、e孔配合，即形成一個典型的一面兩銷定位，定位銷2、4設(shè)計成彈性的，這是因為工件基準孔為毛基準，其鑄造孔徑是不規(guī)則的，由于定位銷具有彈性，即使孔徑變化，工件g表面仍然能夠靠平在4個定位銷組成的平面上，從而使工件能夠快速初定位。該夾具為采用孔系組合夾具，可快速拼裝和調(diào)整，并具有定位精度高，加緊牢固可靠，適合小批量多品種的生產(chǎn)特點。
4.2 工件校正
以刀庫中的鉆頭為校正工具，并使主軸以1000r/min的速度旋轉(zhuǎn)，在兩側(cè)f面水平基準線起止處鉆頭微切工件表面進行試切，根據(jù)試切點與基準線的相對位置，確定工件左右中心線是否在同一水平上，校正號工件f面兩側(cè)水平后，工作臺旋轉(zhuǎn)90°位置，采用同樣的方法校正工件b、c兩面基準線。zui后移動z軸，校正工件h面中心基準線，看劃的線是否在中心上，如果不在，松或緊夾具上的調(diào)整螺栓5，微調(diào)工件位置，直到校正為止。各基準線均校正好后，用壓板1將工件壓緊。
4.3 工件坐標找正
較正好工件后，需要找正b、c兩個加工面的工件坐標系，設(shè)定工件c面坐標系位g54，b面坐標系位g55，選擇功能開關(guān)至手動輸入位置（mdi），讓工件b面面向主軸，調(diào)用鉆頭刀具，鉆頭對準箱體上事先劃好的x和y軸方向中心線，然后看nc顯示器上機械坐標的x軸和y軸坐標值，并在工件坐標系g55中輸入該x坐標值，然后用1250mm（機床x軸圓點坐標）減去x軸坐標所得的數(shù)值輸入g54坐標系的x坐標。由于工件水平方向已經(jīng)校正，因此，兩坐標系中的y坐標值相同，按照顯示器線實的坐標值輸入兩坐標系即可。兩坐標系的z坐標值采用試切的方法確定。
5 工序2夾具的設(shè)計和適用及工藝過程
該工序的主要加工工藝是個軸承孔的鏜削加工，g、h及排擋側(cè)面的銑削加工及各面上聯(lián)接孔的鉆孔及攻絲。此工序的夾具（圖3）主要是由壓板1、墊板2、定位銷3、底板4構(gòu)成，校正后緊固在02工作臺上。具體使用方法是：工件加工好的c底板平放于02號工作臺夾具的墊板2上，并以夾具上兩個定位銷3為定位基準插入工件上上道工序已加工好的2個f孔中，由于2個f孔的形位精度和尺寸精度較高，這樣就可以將工件定位在夾具上，同時用墊板2上的4個螺栓與其余4個孔配合，上緊螺母，為提高裝夾剛度，再用夾具上4個壓板1壓緊工件，這樣就將工件牢牢地固定在夾具上。調(diào)出相應(yīng)加工程序，執(zhí)行程序即可加工箱體工序2的各加工要素了。夾具再設(shè)計時嚴格確保了夾具中心、側(cè)面基準與工作臺中心、側(cè)面基準高度一致，這樣2個定位銷的中心就可以看作為工作臺的中心，通過采用2個定位銷定位，工件裝夾后，工件中心與工作臺中心基本重合，工件在加裝后就不需要進行校正了，從而提高了工件的定位精度和加工效率。
該工序有3個加工面，因此，工件坐標系分別確定為g56、g57、g58，由于該箱體基本上屬于對稱結(jié)構(gòu)，因此，x坐標的選取是工件的中心，我們將x軸坐標值取機床第2參考點，即主軸中心與工作臺中心對應(yīng)的位置，x坐標值為625mm（即1250mm的一般），分別輸入以上3個坐標系中，y軸坐標值以工件上φ150孔中心為基準選取，z軸坐標值同樣采用試切的方法確定，并分別輸入相應(yīng)的坐標系中。
6 程序編制
加工中心具有自動換刀裝置，能在工件一次裝夾自動完成銑、鉆、鏜、鉸、攻螺紋等工序，具有高生產(chǎn)力和質(zhì)量穩(wěn)定性的特點。為充分發(fā)揮加工中心率、多功能的特點，應(yīng)在加工程序設(shè)計上注意工序的劃分和工藝方法的合理性，它直接關(guān)系到加工中心的使用效率、加工精度、刀具數(shù)量和經(jīng)濟性等問題，盡量做到工序集中、工藝路線zui短、機床停頓時間和輔助時間zui少。設(shè)計程序時，應(yīng)將一次換刀作為一個工步，并注明加工內(nèi)容和要保證的尺寸要求。工步與工步之間增加m01指令，與機床上的option-al stop開關(guān)配合使用，機床換刀后停止運行，可檢驗換刀的準確性，以對程序進行充分驗證，批量加工時只需將optional stop開關(guān)關(guān)閉，程序仍執(zhí)行連續(xù)運行模式。粗銑平面時，加工余量較大，工件會產(chǎn)生較大的熱變形，應(yīng)將粗、精銑分開，使零件能夠充分冷卻。設(shè)計鉆孔程序時，應(yīng)考慮孔的加工精度要求，對于精度要求一般的孔加工，可以不使用中心鉆預(yù)鉆。鑒于鉆孔后還要攻絲，因此，可將各孔位置編成子程序，采用m98指令呼叫到主程序中，即可方便的重復(fù)使用，又可減少編成時坐標的錯誤。在機床功率許可的情況下，螺孔全部采用剛性攻絲方式，以提高加工效率。精鏜孔時，由于一般使用單刃鏜刀，編成時還應(yīng)注意幾個問題：一是當手工在主軸位置裝刀時，應(yīng)先用m19指令時主軸遞給，然后讓刀尖朝內(nèi)（即背對操作者）進行安裝；二是采用g76指令編成時，應(yīng)設(shè)定相應(yīng)q值，鏜孔完成后，主軸會向刀尖相反的方向移動以定位值（q）值，退刀時，可避免刀具劃傷孔表面。由于該工件個 對稱孔的同軸精度要求較高，精鏜孔時，應(yīng)采用不調(diào)頭的形式鏜兩側(cè)孔。如果兩側(cè)孔直徑相同，就可以使用一把刀采用直鏜的形式完成兩側(cè)孔的加工，如果兩側(cè)孔徑不同，在編制加工程序時可以先鏜孔徑大的一頭孔，然后換刀（對稱孔小孔的精鏜刀），工作臺不換位，利用鏜大孔的x、y坐標，通過設(shè)定適當?shù)膠坐標，使鏜刀從大孔一端直伸過去，完成另一側(cè)小孔的鏜削。這樣，由于采用同一個平面坐標系和同一主軸坐標，消除了調(diào)頭加工工作臺回轉(zhuǎn)的誤差，因此，可以確保獲得很高的同軸度的加工精度。采用這種方法有一個前提：即兩孔間距不能過大，否則會因刀桿過長，在加工時引起振動反而影響加工精度。加工程序總的設(shè)計原理是：遵循由粗漸精的原則，*行粗加工、重切削，去除毛坯上大部分加工余量，然后安排一些發(fā)熱量小、加工要求不高的部位，使零件在精加工之前有充分的時間冷卻，zui后再進行精加工。該工件的加工程序順序為：粗銑各平面—鉆孔—攻絲—粗鏜孔—精銑—精鏜孔。
7 切削用量選擇
粗加工時，再工藝系統(tǒng)剛性和機床功率允許的條件下，盡可能選取較大的卻削深度，較高的進給量。一般選擇的切削深度為5~6mm，主軸轉(zhuǎn)速s為200~300r/min，粗銑平面時主軸移動速度f為300mm/min，粗鏜孔時主軸移動速度f為200mm/min；精加工時為了獲得較好形位精度和表面粗糙度，切削深度可以小一些，一般選擇為0.3~0.5mm，主軸轉(zhuǎn)速s為300~450r/min，精銑平面主軸移動速度f為220mm/min，精鏜加工孔時主軸移動速度為100~150mm/min；鉆孔時主軸移動速度為300mm/min；攻絲時主軸移動速度為主軸轉(zhuǎn)速乘以螺距，該數(shù)值不能有小數(shù)點。
8 刀具選擇
面銑刀、鏜刀選用機夾可轉(zhuǎn)位刀具，刀片材料為硬質(zhì)合金或涂層刀片。鉆頭和攻絲選用內(nèi)冷式硬質(zhì)合金整體式刀具。采用不調(diào)頭法加工兩面對稱孔時，由于刀桿較長，長刀桿可以通過不同需要按照模塊化刀柄、刀桿系統(tǒng)進行組合；同時，為降低切削時的振動，應(yīng)選用重金屬減振刀桿或阻尼減振刀桿。加工中心所有刀具盡量選用中的標準刀具。刀具規(guī)格、刀具代號和該刀具所要加工的內(nèi)容，應(yīng)列表記錄下來，供編成時使用。同時，刀庫中所有使用的刀具都必須使用對刀儀進行檢測，并將數(shù)據(jù)輸入offset內(nèi)的刀具補償值中。從性價比上考慮，粗加工時由于毛坯余量大，加工精度要求低，盡量采用國產(chǎn)刀具，如粗銑刀、粗鏜刀。精加工時為提高卻削效率，獲得較好的表面加工質(zhì)量，刀具的品牌可以選用伊斯卡、肯納、瓦爾特、山特維克等。
9 結(jié)論
采用加工中心加工箱體，批量生產(chǎn)后，每個工件加工時間約為2h，僅為過去加工時間的1/6，加工效率得到極大的提高。此外，由于機床精度自身的保證，*消除了接刀痕，各軸承擋之間的同軸度也得到了有效的保證，從而使變速器箱體的加工質(zhì)量得到了顯著的提高，夾具設(shè)計簡單、實用，使用方便，取得了較好的應(yīng)用效果。
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