縮短箱體類零件校調周期的新思路

李日強

（許昌煙草機械有限責任公司生產技術部，河南許昌 461000）

0 引言

箱體零件是機械行業中常見的一種零件形式。該類零件通常具有結構復雜、相互關聯尺寸多、形位公差要求嚴等特點。該類零件的主要特點決定其加工周期比較長。通過對其加工周期中的各個環節進行統計、分析，除了其加工部位多以外，還有一項重要因素就是其加工前的校調時間過長。尤其對于多品種、小批量的生產模式而言，縮短箱體零件切削前的校調時間直接決定了加工效率的提高。為此，我們有必要探索一條縮短箱體類零件校調周期的新途徑。

1 問題的提出

箱體類零件的加工、校調較為復雜。每批次加工前，均須確定工件坐標零點在機床坐標系內的具體位置（即對刀操作）。我公司多品種、小批量的生產模式，決定了一年當中該零件需要加工很多批次。這樣一來，每批次加工前的對刀操作不僅延長了零件的校調周期，而且還造成了操作人員的重復性勞動。現有的生產方式已經變得不適應形勢的發展要求。

箱體類零件首先在組夾元件（或工裝）中實現定位可靠定位，然后通過組夾元件（或工裝）在機床中的定位，間接實現工件與機床間的定位。兩者定位形式大致一致，主要是由1個支撐面、1個導向面和1個限位面的三平面定位組成。

輸出箱體零件是我公司新產品中的一種主要零件，其形位公差要求嚴，相互關聯尺寸多，加工前的校調過程較為繁瑣。傳統的裝夾形式如圖1所示。

圖1 傳統的裝夾形式

利用零件底面的兩處工藝銷孔及底面為基準，使輸出箱體零件與工裝實現“一面兩銷”的定位；同時，利用底面的4處M12螺孔，將工件與工裝拉緊，從而完成輸出箱體與工裝的定位及裝夾。

相比輸出箱體與工裝的裝夾定位，工裝與機床的裝夾定位就顯得更為麻煩。由于目前加工機床工作臺采用T型槽結構，不同批次的工裝在工作臺上的擺放位置難以保證完全一致，因此在每次加工前操作人員都需要首先將工裝在機床中的位置確定下來，其主要流程如圖2所示。

圖2 工裝夾具調整流程圖

整個過程耗時、費力，并且每個批次加工前，均須重復上述勞動。有鑒于此，我們有必要探索一條能夠實現零件加工不同批次間快速定位的裝置。

2 解決方案的提出并驗證

機械行業中箱體類零件常見的定位方式主要有兩種，即三面定位法和一面兩銷定位法。通過分析“三面定位”與“一面兩銷”兩種定位方式的優缺點，我們發現，造成不同批次的工件擺放位置不固定的根本原因就是T型槽式的工作臺結構不能很好地實現工件快速定位。因為不同批次的工件，在T型槽式結構的工作臺上定位的位置是各不相同的。為此，我們決定改變現有工作臺結構形式，利用“一面兩孔”的定位方式，在新的機床托盤上均布定位銷孔，并對每個銷孔進行編號，將工件加工零點在機床坐標系中的位置固定下來，這樣就可以實現工件在機床中的位置的唯一確定性。加工中只需將第一次校調工件時測得的工件零點坐標輸入到相應的機床夾具偏置，在后續批次的加工中，只需調用其對應的夾具偏置信息即可獲取工件的定位坐標信息，從而實現工件的快速準確定位。

2.1 快速定位裝置設計原則

為了使新的快速定位裝置滿足實際需求，在設計初始階段，我們制定了如下的原則：1）新的快速定位裝置必須能實現快速準確定位；2）新的快速定位裝置必須便于拆卸；3）快速定位裝置的配合部位應有較強的耐磨性，以滿足頻繁拆裝的需要；4）快速定位裝置應有較強的通用性，以滿足多種零件使用的要求。

2.2 快速定位裝置設計方案的確定

1）改變現有T型槽式結構形式。機床工作臺的形式為T型槽式結構，為彌補其在快速定位方面的不足，我們計劃采用銷孔定位的方式，在新工作臺上均布銷孔（同時要將各定位銷孔編號），實現工裝與工作臺的快速定位。

2）在新工作臺上鉆螺紋孔。為便于工裝的夾緊，我們要在工作臺上鉆均布螺紋孔，利用螺紋孔及現有夾緊元件（螺桿、壓板等）來實現工裝與工作臺，以及新工作臺與機床自身工作臺之間的夾緊。

3）在新工作臺上輔以定位靠山及襯套，實現定位的便于拆卸。

2.3 具體設計細節

2.3.1 新工作臺尺寸的確定

為保證銷孔式工作臺的穩定性及高剛性，我們選用HT250材質，HT250可以用于機械制造中汽缸、襯套及金屬切削機床的床身等重要部件，其材質具有優良的減震性能，并且可以承受784 kPa的壓力[2]。通過查閱機床（機床型號：牧野A92臥式加工中心）參數，得知機床的主要參數為：允許最大工件直徑1500 mm；主軸中心距臺面最小距離100 mm;機床最大承重2000 kg。在機床回轉直徑及承重范圍允許條件下，確定出新工作臺的最終尺寸為：100 mm×800 mm×1300 mm.

2.3.2 工作臺定位孔尺寸的確定

在定位孔設計環節，我們仍沿用公司現有組夾元件的尺寸規格，綜合考慮臺階形式定位孔的可靠性，確定出了定位孔的最終尺寸為φ40H7。同時，為保證不同批次加工時，工裝能擺放到特定位置，我們對工作臺上的各個銷孔進行編號，其結構形式如圖3所示。

2.3.3 新工作臺的加工精度保證

圖3 工作臺定位孔結構

由于新工作臺是要用作加工基準的，因此其加工精度及穩定性就顯得尤為重要。為此我們首先要求鑄件毛坯要經過至少6個月的自然時效，在其加工過程中，我們粗精加工道序分開，并在粗精道序間安排第二次時效處理，同時嚴格控制精加工余量，盡可能減少應力釋放引起托盤的變形。

加工完畢并放置一周后，我們對新工作臺的平面度進行再次測量，其平面度小于0.02 mm，符合設計要求。

2.3.4 襯套及靠山的設計

1）襯套外壁尺寸的確定。根據實際使用情況，襯套外壁與托盤定位孔需配合牢固，我們選用過盈配合（H7/p6），要求通過液氮冷卻再壓入的裝配方式，根據定位孔尺寸，我們確定襯套外壁尺寸為φ40p6。

2）襯套內壁的確定。根據設計思路，襯套內壁要與靠山外圓進行配合，兩者之間必然存在間隙誤差，而這種間隙誤差會直接影響到工件定位基準的準確性，因此必須盡可能減少兩者之間的配合間隙，我們根據斜面之間的自鎖現象，如圖4所示，來減少襯套與靠山配合過程中的徑向間隙。

通過圖4可以看出，當滿足下列條件時，可以實現自瑣：mg·cosθ·μ=mg·sinθ，因此μ=tanθ，所以當θ=arctanμ時，即可實現自鎖。

圖4 斜面自鎖力學分析圖

通過推導，我們將襯套內孔的錐度最終確定為16.6°（與BT刀柄和機床主軸孔之間配合形式一致）。利用襯套內壁與靠山外圓之間的錐度配合，來消除兩者之間的配合間隙，實現靠山的自定心功能。襯套最終尺寸如圖5所示。

圖5 襯套尺寸

3）襯套材料的選擇及耐磨性保證。襯套材料，我們選用GCr15軸承鋼，為增加襯套的耐磨性，我們安排淬火處理工藝，增加GCr15的耐磨性。根據相同原理，我們設計了靠山的具體形式及規格，如圖6所示。

圖6 靠山結構圖

在上述工作完成后，我們根據快速定位裝置及輸出箱體的尺寸，設計出輸出箱體在新定位裝置中的裝夾效果圖，如圖7所示。

圖7 裝夾效果圖

2.4 加工后的快速定位裝置（如圖8所示）。

圖8 快速定位部件實物圖

2.5 效果驗證

第1批次驗證過程：利用托盤上3個公差孔（[C-6]、[D-7]、[J-7]），將零件與工裝和托盤進行定位，并測出工件零點坐標，如圖9所示。

圖9 測出工件零點坐標

第2、3批次驗證過程：將3個靠山置于3個公差孔內，使零件及工裝與靠山貼緊，直接調用上次所存儲的工件零點坐標，進行加工。加工后的零件如圖10所示。

圖10 加工后的零件

在此基礎上，我們對零件的定位信息進行了固化，將定位坐標反饋到工藝規程卡上，如圖11所示。這樣，在隨后批次的加工中，我們只需按照工藝規程卡上的坐標信息，將工件與機床快速定位，然后調用機床中所存儲的夾具偏置信息，即可開始切削加工。

在所加工零件滿足設計要求的前期下，我們對工裝夾具的校調時間進行了統計，統計結果為：批次1工裝夾具校調時間70 min、批次2工裝夾具校調時間25 min、批次1工裝夾具校調時間30 min。

第一次加工時需考慮工裝的位置擺放、調整以及工件零點的確定和輸入，因此本次加工的輔助時間不具普遍性。因此通過利用快速定位裝置，實現了縮短輸出箱體校調周期的目的。

圖11 工藝規程卡

圖12 快速定位示意圖

2.6 快速定位裝置的可推廣性

由于公司多品種、小批量的生產模式，就決定了快速定位裝置應具有一定的通用性。該快速定位裝置采用的是“一面兩銷”的定位原理，因此，只要工件（或工裝）具備“一面兩銷”快速定位要求，即可利用現有快速定位裝置進行快速定位，如圖12所示。

3 結語

通過快速定位裝置的實際加工驗證，不僅大大縮短了輸出箱體加工中校調周期，而且減少了操作人員的重復性勞動，其他類似箱體零件也可以借用該進行快速定位裝置。