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数控加工箱体类零件工艺分析


数控加工箱体类零件工艺分析及选择
作者: 黄晓龙

1.1 箱体类零件的结构特点 箱体类零件种类很多, 其尺寸大小和结构形式随着机器的结构和箱体在机器中功用的不同 有着较大的差异,但从工艺上分析它们任然有许多共同之处,其结构特点是: (1) 外形基本上是由六个或者五个平面组成的封闭式多面体, 又分成整体式和组合式两种。 (2)结构形状比较复杂、内部常

为空腔形,某些部位有“隔墙” ,箱体壁薄且厚薄不均。 (3)箱壁上通常都布置有平行孔系或垂直孔系。 (4)箱体上的加工面,主要是大量的平面,此外还有许多精度要求较高的轴承支撑孔和精 度要求较低的紧固用孔。 1.2 箱体类零件的技术要求 (1)轴承支撑孔的尺寸精度、形状精度、表面粗糙度要求。 (2)位置精度:包括孔系轴线之间的距离尺寸精度和平行度,同一轴线上各孔的同轴度,以 及孔端面对轴线的垂直度等。 (3)此外,为满足箱体加工中的定位需要及箱体与机器总装要求,箱体的装配基准面与加 工中的定位基准面应有一定的平面度和表面粗糙度要求; 各支轴承孔与装配基准面之间应有 一定距离尺寸精度的要求。 1.3 箱体类零件的材料和毛坯 箱体类零件的材料一般用灰口铸铁,常用的牌号由 HT100-HT400,毛坯为铸铁件,其铸 造的方法视铸件精度和生产批量而定,单件小批量生产多用木模手工造型,毛坯精度低,加 工余量大。有时也采用钢板焊接方式,大批量生产常用金属模型机器造型,毛坯精度较高, 加工余量可适当减小, 为了消除铸造时形成的内应力, 减小变形, 保证其加工精度的稳定性, 毛坯铸造后要安排人工时效处理, 精度要求高或形状复杂的箱体还应在粗加工后多加一次人 工时效处理,以消除粗加工造成的内应力,进一步提高加工精度的稳定性。 2 加工工艺路线的确定原则 加工中心是适用于复杂零件加工的高效自动化机床,在中小批量的生产条件下,箱体类 零件采用加工中心加工具有工序集中、 精度高的特点。 其加工工艺路线的确定不只是简单的 工艺设计问题,而是一项有一定规模的技术应用工程,要求工艺设计人员: (1)熟悉机床、机制工艺、夹具、刀具、检测等专业知识,能根据加工零件的尺寸、精度 和结构特点,确定合理的工艺方案,编制出正确合理的工艺卡。 (2)熟悉加工中心生产流程方面的管理知识。 (3)懂编程,数控加工是在数控程序的控制下自动完成的,工艺设计的具体内容将贯穿数 控编程的始终。 (4)有较强的数控加工工艺分析能力。 因此, 加工中心上箱体零件的工艺设计和普通机床与专用机床流水线生产有很大不同, 其加 工工艺路线的确定应遵循以下原则: (1)可靠的保证零件加工质量;

(2)充分的发挥加工中心的功能; (3)优化工艺过程与走刀路线,高效率生产; (4)提高加工中心的使用质量,尽量降低制造成本; (5)安全生产,刀具、工件与机床主体及冷却、防护装置在加工中不得发生任何干涉与碰 撞。 3,、加工工艺路线的确定 拟定工艺路线是工艺规程设计最关键、最重要的内容,需要顺序完成以下几方面的工作: 选择定位基准、确定各表面加工方法、划分加工阶段、安排工序顺序等。 拟定工艺路线,需同时提出几种可能的方案,通过对比分析后,最后确定一种最优方案。 3.1 定位基准的选择 箱体定位基准的选择直接关系到箱体上各个平面之间,孔与平面之间、孔与孔之间的尺 寸精度和位置精度要求是否能够保证, 正确选择定位基准对保证零件技术要求, 合理安排加 工顺序有着至关重要的影响。 箱体零件通常用一个支撑面, 一个导向面和一个限位面的三平 面装夹方法,这是最简单、可靠的定位方法,但是安装面不能加工,因而最好采用一面两销 定位,方便刀具对其它各表面的加工,但定位精度低于三面法。 传统的一面两销定位,通常以底面作为定位基准,然而,为满足加工要求,我们应该视 情况选择其它的定位基准。下面我就以变速箱加工为例,对其加工工艺方案的分析,说明合 理的侧面定位基准,能更好的达到技术要求,是最佳的工艺方案。 3.1 变速箱体零件工艺技术分析 变速箱体零件如图所示,主要技术要求如下: (1)N,H,F,K 平面需加工到 Ra6.3 (2)1-1 孔Ф 80K7 2-2 孔Ф 50K7 3-3 孔Ф 25K7 Ra3.2 (3)3 组拨叉孔 2-Ф 15H9,同组孔壁距离为 171mm,其同轴度公差为 0.02mm。 (4)孔组 1-1 对 N 面的垂直度公差为 0.06mm.

3.1.2 加工基准的选择和工艺方案的分析 对于箱体类的零件一面两销定位具有独特的优点, 定位可靠, 夹紧变形小, 操作方便, 因此我们同样采取一面两销的定位原理,对变速箱体采用两类四种加工方案的设计: 第一种 传统的直立式定位方法 方案 1:以平面 A 和 A 面上两孔作为定位基准,定位面在下,夹紧力从上到下将工件夹紧 看,优点是敞开性好,夹具设计简单,维修方便,操作容易。 工艺分析:对前述的加工难点 4 作误差分析: (1)由于定位基准 A 面与设计基准 N 面不重合,存在着基准不重合的误差 S1,因为 A 面 与 N 面分两次铣削加工,根据加工经验,两面间的垂直度可达 0.03MM,所以 S1=0.03MM。 (2)定位销与定位孔一般都采用间隙配合,由于间隙的存在工件存在着转角定位误差: tgα max=(SD1+Sd1+Δ 1+SD2+Sd2+Δ 2)/2L

SD1 , SD2-------------------两定位孔公差 SD1=SD2=0.018mm Sd1 , Sd2-------------------两定位销公差 Sd1=Sd2=0.011mm Δ 1,Δ 2-----------最小间隙 Δ 1=Δ 2=0.015mm L----------------------------两定位销之间的中心距,L=219mm 所以 tgα max=0.0002 S2=L1tgα max=183.5×0.0002=0.037mm L1 为 N 面有效长度 Δ max=S1+S2=0.067mm, 远远大于公差 0.06 的 1/3 (3)由于 A 面不需要加工,若以此定位,需要增加三到加工工序(粗精铣 A 面 ,钻扩铰 A 面两定位孔)因此,此方案不可取。 方案 2: 以 F 面及面上的两螺纹底孔定位。 工艺流程为: 粗铣 K,F 面-----------精铣 K,F 面--------------钻 F 面螺纹底孔, 扩铰两定位孔-------铣 N,H 面,粗镗 6 大孔-----------半精镗 6 大孔-----------钻三组拨叉孔-------------扩三组拨叉孔 -------铰拨叉孔--------精镗 6 大孔------------钻,攻丝各螺纹孔。 由于三对大孔与 3 组拨叉孔分两次加工,前述的定位转角误差可能导致大孔与拨叉孔轴线 间的平行误差,其最大值为;(L2+L3)L/L'tgα =(224+171)× 219/235.6×0.0002=0.073mm 式中的 L'为 F 面上两定位孔之间的距离。 (图中未标注)0.073 已经超过平行度误差 0.1 的 1/3,同样道理,其定位误差已经超过垂直度公差 1/3,另外也要增加三道工序, 同样不可取。 第二种:侧面定位方式 改变传统的直立定位方式,而是以侧面定位,夹紧力呈水平方向作用于工件上,这种定 位方式是夹具设计比较复杂,但是对技术难度 3、4 能较好解决,具体方案如下: 方案 3: 选用定位基准与设计基准重合,由于基准重合,不会引起定位误差,则能满足垂直度允差 要求,以 N 面,H 面-----------钻 N 面上的螺纹底孔,扩铰两定位孔-----------铣 K,F 面----------粗 镗 6 大孔,钻 6 拨叉孔----------半精镗(扩)12 孔 ------------精铰 12 孔---------------钻,攻各面 螺纹孔。 工艺分析:

(1)对垂直度和平行度有利,较好解决技术上的难点。 (2)N 面上的 M10 螺纹底孔只有Ф 8.4mm,采取侧面定位,定位销要承受工件重量,定位 销直径太小,强度和刚度差,容易变形,严重影响定位的可靠性,加之 N 面较小,两定位 孔间距为 L=169.4,转角误差较大,对孔加工尺寸精度影响较大。 (3)由于 6 孔都要粗精镗,轴向切削力很大,且与夹紧力方向相反,这样势必采用较大夹 紧力,因而导致夹紧力过大引起工件变形,影响加工精度。 方案 4: 以 H 面及面上的两螺纹底孔定位,其工艺过程为: 粗铣 N,H 面-------------精铣 N,H 面---------------铣 K,F 面--------------粗镗 6 大孔,钻 6 拨叉孔, ---------半精镗(扩)12 孔-----------精铰 12 孔--------------钻攻各面螺纹孔 工艺分析: (1)H 面 M12 螺纹底孔可以加工到Ф 10.2mm,定位销的强度刚度有较大提升,且 H 面积大, 两孔距达 L=231mm,转角误差较小有利于保证和提高产品的加工精度。 (2)H 面上仅两孔需加工,夹紧力较方案 3 大为减小,从而减小变形,保证了加工精度。 (3)对于难点 4,该方案虽存在着基准不重合误差,即 N,H 面的平行度误差影响 1-1 轴线 N 面垂直度误差,但因 N,H 是采用双面铣削加工工艺,对机床调整好,可使两面平行度控制在 0.02mm 以内,因此其定位误差为:Δ max≤0.02mm,小于垂直度公差的 1/3.。 (4)以 H 面定位,将 K 面置于下方,可以较方便的从 K 面的窗口处设置中间导向装置,实 现 12 孔同时加工,减少三道加工工序,较好的保证了各组孔的同轴度和平行度。 经分析,比较和研究计算,综合各方面的情况,选择侧面定位方式,对于技术难点的加 工 3.4 的解决方便易行,此方案可行。 结果分析: 序号 方案 1 方案 2 方案 3 方案 4 定位基准 A面 F面 N面 H面 以设计面的关 系 不重合 不重合 重合 不重合 加工精度 不能保证 不能保证 难以保证 可以保证 加工工序数 17 14 11 11

由上表可以看出:选择四个平面作为定位基准,有四个不同的加工方案,定位基准与设 计基准重合, 虽然不会引起定位误差和它所导致的形位误差, 但对该零件因夹紧力和定位孔 小的原因,影响加工精度,这说明:基准重合不一定是最优方案,具体问题具体分析。 5、 结论 加工中心在生产实际中的应用越来越广泛, 使得机械制造的理念与过程发生了明显的变化, 因此,探讨数控加工的工艺设计问题,选择合理,高效的加工方法和加工路线,对保证零件 的加工质量,提高加工中心的使用质量都有重要的意义。 实践证明:在加工箱体类零件过程中, 只有改进加工工艺方案, 选择合理的定位装夹方案, 有效利用各种数控设备和加工刀具,设计最佳的切削用量,才能实施有效的保证加工质量, 提高生产效率。 本文是工艺理论和实践结合的一点探讨,不足之处在所难免,希望各位老师指正。


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