箱體零件數控加工路線研究

徐躍增

XU Yue-zeng

（浙江同濟科技職業學院，杭州 311231）

0 引言

現代科技的飛速發展，機械制造最新特點是集成化、精密化、高速化、智能化、虛擬化、敏捷化和全球化-以及綠色化。CAPP理論與應用從60年代開始研究，已經取得了很多的成果，推動了機械制造領域的技術革命，使傳統的機械制造單一式正在向現代集成制造系統發展。在世界機器制造業發展中，在不同機床上加工，零件生產長期存在的一個重要問題，裝夾次數多，效率較低，箱體類復雜零件等需用多種刀具先后加工不同平面與孔穴。針對這種實際狀況，運用新思維、新設計、新工藝在一般數控機床的基礎上，研制出了帶自動換刀裝置的加工中心，成為機床中一種多工序集中的復合式機床。加工中心是機電一體化的典型產品，可以說是現代最完善的單機。它是體現柔性自動化的基本單元，實現先進制造技術的載體，可以自動換刀，大大減少了工件搬運和裝夾次數，縮短輔助時間，進一步提高精度、效率和自動化程度，降低成本。

由于歷史的原因，基于計算機圖形學發展起來的加工系統與基于數控技術發展起來的系統缺乏統一的設計思想，各自都有自己的發展過程，大多相互獨立設計而成，從而導致了零件的設計模型很難轉化為制造模型。它們雖在一定的程度上促進了生產力的發展．促進了科技進步。給企業帶來了一定的經濟效益與社會效益，但隨著市場的激烈競爭，這種單一的系統已遠不能滿足現代化企業的需要，從而使一體化技術成為科技界的熱門研究課題。

針對在鉆、銑、鏜類加工中心上加工箱體零件的工序特點，探討了箱體零件加工工藝路線的確定原則和程序；在分析工步排序和典型工藝路線的基礎上，建立了不同特征的加工方法匹配規則庫；同時研究了零件一次裝夾的優化問題，對加工中心的工藝規劃問題進行了詳細的研究；實現箱體零件特征要素加工方法的決策和工步排序，最終得到了箱體零件在加工中心上的最優工藝路線。對傳統工藝過程進行優化具有非常重要的工程實用價值。

1 箱體零件加工工藝路線

1.1 加工中心工藝方案的特點

加工中心是一種功能較全的數控機床，可減少工件的裝夾次數，節省大量的專用和通用工藝裝備，節省占用的車間面積。它集銑削、鉆削、鉸削、鏜削、攻螺紋和切螺紋于一身，有利于保證各加工部位的位置精度要求。采用加工中心加工，還可減少裝卸工件的輔助時間，消除因多次裝夾帶來的定位誤差，使其具有多種工藝手段，提高加工精度。避免了工件多次裝夾所帶來的定位誤差，綜合加工能力較強，當零件各加工部位的位置精度要求較高時，與普通機床加工相比，可減少機床數量，加工中可減少周轉次數和運輸工作量，并相應減少操作工人，降低生產成本。加工工藝方案采用“工序集中”原則，加工中工藝方案具有許多顯著的工藝特點。

1.2 工藝路線的確定

工藝路線的擬定是制定工藝規程的重要內容之一，設計者應根據從生產實踐中總結出來的一些綜合性工藝原則，在對零件功用、結構特點及技術要求進行充分仔細的工藝分析的基礎上，擬定工藝路線是工藝規程設計最關鍵、最重要的內容。全部工序不都在加工中心上完成，首先選擇平面、孔系、孔系與平面中精度要求高的關鍵、重要加工工序，加工中心加工前的預加工，適合數控加工的內容，安排在加工中心上，以充分發揮其優勢，結合實際生產條件，找出最優方案。

定位基準的選擇應盡量選擇零件上的設計基準作為定位基準，還要考慮一次裝夾就能夠完成全部關鍵精度部位的加工。當無法同時完成包括設計基準在內的工位加工時，其定位基準的選擇需考慮完成盡可能多的內容，應盡量使定位基準與設計基準重合。中心上既加工基準又完成各工位的加工時，最好采用一面兩銷的定位方式，以便刀具對其他表面進行加工。一次裝夾能完成箱體許多表面的加工，且精度高而穩定，又可選用較小的零件加工余量。

2 箱體零件數控加工系統的關鍵技術

2.1 零件信息的輸入

零件信息包括總體信息、尺寸、容差、熱處理及其他技術要求等方面的信息。當工藝設計是由人工完成時，工藝設計的任務就是要根據這些信息，人用眼睛看圖，制定一個零件的制造過程。在采用計算機進行輔助工藝設計時，并在頭腦中還原圖樣上表達的產品設計要求，否則計算機就不能進行工藝設計。按照目前已達到的技術水平，最重要的問題是計算機還不能直接讀懂零件圖。CAPP系統的零件信息輸人與計算機內部如何對產品或零件進行表達的問題，需要確定合理的零件信息描述方法，其實質就是如何組織和描述零件信息，分類編碼法從CAD系統讀取，讓計算機也能夠讀懂零件圖。

2.2 分類編碼法

所謂分類編碼法就是把信息從一種表現形式變換成另一種表現形式，零件分類編碼描述法是按照零件分類編碼系統對零件進行編碼，對于CAD/CAPP集成系統而言，零件代碼粗略地描述形狀、尺寸、精度等特征，就是用特殊的文字、數字和它們的組合來代表零件的基本特征信息及其相互聯系的信息，然后將代碼及一些補充信息輸人CAPP系統。這些特定的文字或數字，就稱之為代碼。這種信息輸入方式比較簡單，在編碼以后，對代碼的處理和傳遞，主要適用于派生式CAPP系統。

2.3 參數化造型

在機械CAD系統中，參數化造型是一種先進的設計思想，是實現CAD/CAPP集成的必由手段。進行這些產品設計所采用的數學模型及產品的結構都是固定不變的，結構尺寸的差異是由于相同數目不同值而造成的。可以將已知條件隨著產品規格而變化的基本參數用相應的變量代替，由計算機自動查詢圖形數據庫，由專門的繪圖生成軟件在屏幕上自動地設計出圖形來。參數化CAD/CAPP應用軟件主要用于標準化的定型產品，對于這些定型產品，通過變量選取不同的數值可以將結構不同的產品歸并成一個參數圖。通過改變圓的直徑及正方形邊長這兩個變量，采用一個參數化繪圖程序進行設計。

3 箱體零件最優工藝路線選擇

3.1 工藝規程編制

依據箱體類零件常規加工方法，初步擬定加工工藝規程為：在立式加工中心上，粗精加工箱體底平面和4個安裝孔。在臥式加工中心上，以箱體底平面和兩安裝孔定位，粗加工前后端面、曲軸孔，同時完成端面上各銷孔、螺紋孔加工。在立式加工中心上，以箱體底平面為基準，粗加工箱體內壁面和孔，同時完成相應表面上閥孔、銷孔和螺紋孔的加工。在臥式加工中心上，均以箱體底平面和兩銷孔定位，先精加工前后端面和曲軸孔；加工箱體頂面及各螺紋孔；工作臺再旋轉一定角度，分別加工安裝簧片的缸孔端面淺溝槽等。

此方案裝夾的次數增加了，避免了因切削應力過大而引起的尺寸變形問題，但各重要部位均是全面粗加工之后，再全面精加工，有效地完成了高難度加工質量要求；粗精加工分開，兩臺加工中心同時加工，且先加工大余量、高硬度的部位，整個零件的加工時間并不長。

圖1 零件示例圖

3.2 定位、夾緊方案確定

本工件的主要面、孔不但有很高的尺寸精度要求，除了底平面加工之外，同時還有很高的形位公差要求。為了保證工件的精度要求，加工中途改換了機床及夾具，降低成本，壓板夾緊，這樣既符合基準統一的原則，夾具設計簡化。

3.3 加工方法及刀具選擇

該工件全部加工過程中共使用了40多把刀具。

加工箱體面時，難度最大之處是箱體側面與箱體正面硬度相差太大，先用+25 mm的立銑刀粗銑箱體側面端面，采用一把+50 mm的硬質合金端面銑刀加工，進給量可達600mm/min）；最后用+50 mm的端面銑刀精銑整個缸蓋面（進給量選800 mm/min），再用同一把刀，以800 mm/min的進給量粗銑箱體側面以外硬度較小區域的缸蓋面。用小直徑銑刀加工效率明顯提高、刀具磨損減小，保證了表面粗糙度，粗加工不同硬度的部位采用不同的進給量，用大直徑銑刀精加工，解決了因局部材料過硬，用同一把大直徑端面銑刀加工時效率和質量不可兼顧的問題。

本箱體上孔的種類多，數量大，對于類型不同、尺寸規格不同的孔應采用不同的加工方法。缸孔的尺寸精度要求高，調節尺寸方便、加工精度高、表面質量好。粗鏜孔時選用雙刃鏜刀，硬度高、深度長，其切削力均勻、進給量大、效率高；精鏜孔時可選用一體式單刃鏜刀加工余量約為2 mm，要通過粗鏜、半精鏜、精鏜完成加工，曲軸孔尺寸精度要求亦較高，其加工余量為4 mm。組合式鏜刀可以依據孔的直徑、深度、形狀、工件材料等進行自由組合，特別是前端面曲軸孔尺寸小，粗加工時鏜刀的剛性不足，不但可以減少刀柄的數量、節省刀庫容量，選用銑削方法進行粗加工，還可以迅速滿足各種加工要求、延長刀具整體的壽命。再用組合鏜刀完成精加工；閥孔、通氣孔等因孔徑不大，尺寸精度要求不高，后端面曲軸孔尺寸較大，均采用二刃鍵槽銑刀加工完成，故用組合鏜刀進行粗精加工。工件上各螺紋孔均采用鉆孔、攻絲。四個底面安裝孔因用作定位孔，精度要求高，故采用鉆、擴、鉸孔。

3.4 切削用量參數控制

切削用量主要包括主軸轉速、進給量、吃刀量。主軸轉速一般根據切削速度來計算，吃刀量的大小主要受機床、工件和刀具剛度的限制。而切削速度的選擇是影響刀具耐用度的最主要因素；結合該工件的材料硬度、形狀尺寸、精度要求等諸多因素，進給量的選擇直接影響零件的加工精度和表面粗糙度，其大小選擇取決于工件材料的力學性能、刀具材料和結構等諸多因素。

4 結束語

在加工箱體類零件過程中，探討了箱體零件加工工藝路線的確定原則和程序，只有改進加工工藝方案，選擇合適的定位裝夾方案，實現零件特征要素加工方法的決策，有效利用各種數控設備和加工刀具，設定最佳切削用量，最終得到了箱體零件在加工中心上的最優工藝路線。切實有效地保證加工質量、提高生產效率，對傳統工藝過程進行優化具有非常重要的工程實用價值。

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