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加工中心在变速器箱体加工中的应用
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 一拖建机公司 聂福全点击:
1 概述
变速器箱体是机械式传动压路机上的重要零件，其加工质量的好坏将直接影响到压路机传动系统的使用效果。我公司产品所使用的变速器箱体(图1)材料为HT200。该变速器具有体积小、结构简单、使用方便和动作可靠的特点。已经广泛应用于我公司所产的LSS系列振动压路机上。以往箱体加工是在龙门刨床、镗床和上完成平面、轴承挡孔和连接孔的加工，生产效率低且加工质量难以保证，为解决上述问题，我公司引进了以太韩国大宇公司制造的ACE HM800卧式进行箱体加工，取得了很好的应用效果。2 零件工艺过程分析及工序安排
箱体类工件具有以下几个特点：一是加工内容多，需频繁更换机床、；二是加工精度要求高，采用普通机床加工质量难以保证，且由于工艺流程长，周转次数多，生产效率难以提高；三是形状复杂，且大部分为薄壁壳体，工件刚度差，较难装加。采用数控加工中心进行箱体加工，凭借加工中心自身的精度和加工效率高、刚度好和自动换刀的特点。只要制定好工艺流程，设计采用合理的专用和刀具，就完全可以解决上述问题。鉴于该设备为双工作台，因此，我们将该工件B、C面上各种加工要素加工放在01工作台上完成(加工工序1)，其余G、H及排挡侧面的加工要素放在02工作台上完成(加工工序2)，根据上述工序安排，设计相应的专用夹具。
3 毛坯准备
工件上加工中心前的准备工序由其它设备来完成，如零件图1上G、H两侧面的粗加工，放在普通机床上加工，这样一是减少了大余量加工造成的热变形；二是为了加工中心提供了必要的定位基准；三是提高了加工效率。两侧面刨完后，以G面为基准(与加工中心加工时基准一致)将工件平放钳工台上，钳工按图1划出B、C面精加工线及箱体K、H(两侧)各面中心基准线，供加工中心校正用。
4 工序1夹具的设计和使用及加工工艺过程
4.1 工艺过程及夹具的结构和使用
按照前文所述，工序1的加工工序主要包括B、C面精铣，以及C面上6-φ18孔(F)的钻削。为提高加工质量和效率，针对该工序的加工特点设计了一套专用夹具(图2)，该夹具由压板1弹性定位销2、定位销3、弹性定位销4调整螺栓5和底板6组成。使用时，工件D面平放在四个高度可调的定位销3组成的平面上，夹具上有两个弹性定位销2、4与工件上D、E孔配合，即形成一个典型的一面两销定位，定位销2、4设计成弹性的，这是因为工件基准孔为毛基准，其孔径是不规则的，由于定位销具有弹性，即使孔径变化，工件G表面仍然能够靠平在4个定位销组成的平面上，从而使工件能够快速初定位。该夹具为采用孔系组合夹具，可快速拼装和调整，并具有定位精度高，加紧牢固可靠，适合小批量多品种的生产特点。
4.2 工件校正
以刀库中的为校正工具，并使主轴以1000r/min的速度旋转，在两侧F面水平基准线起止处钻头微切工件表面进行试切，根据试切点与基准线的相对位置，确定工件左右中心线是否在同一水平上，校正号工件F面两侧水平后，工作台旋转90°位置，采用同样的方法校正工件B、C两面基准线。最后移动Z轴，校正工件H面中心基准线，看划的线是否在中心上，如果不在，松或紧夹具上的调整螺栓5，微调工件位置，直到校正为止。各基准线均校正好后，用压板1将工件压紧。
4.3 工件坐标找正
较正好工件后，需要找正B、C两个加工面的工件坐标系，设定工件C面坐标系位G54，B面坐标系位G55，选择功能开关至手动输入位置(MDI)，让工件B面面向主轴，调用钻头刀具，钻头对准箱体上事先划好的X和Y轴方向中心线，然后看NC显示器上机械坐标的X轴和Y轴坐标值，并在工件坐标系G55中输入该X坐标值，然后用1250mm(机床X轴圆点坐标)减去X轴坐标所得的数值输入G54坐标系的X坐标。由于工件水平方向已经校正，因此，两坐标系中的Y坐标值相同，按照显示器线实的坐标值输入两坐标系即可。两坐标系的Z坐标值采用试切的方法确定。
5 工序2夹具的设计和适用及工艺过程
该工序的主要加工工艺是个轴承孔的镗削加工，G、H及排挡侧面的铣削加工及各面上联接孔的钻孔及攻丝。此工序的专用夹具(图3)主要是由压板1、垫板2、定位销3、底板4构成，校正后紧固在02工作台上。具体使用方法是：工件加工好的C底板平放于02号工作台专用夹具的垫板2上，并以夹具上两个定位销3为定位基准插入工件上上道工序已加工好的2个F孔中，由于2个F孔的形位精度和尺寸精度较高，这样就可以将工件精确定位在夹具上，同时用垫板2上的4个螺栓与其余4个孔配合，上紧螺母，为提高装夹刚度，再用夹具上4个压板1压紧工件，这样就将工件牢牢地固定在夹具上。调出相应加工程序，执行程序即可加工箱体工序2的各加工要素了。夹具再设计时严格确保了夹具中心、侧面基准与工作台中心、侧面基准高度一致，这样2个定位销的中心就可以看作为工作台的中心，通过采用2个定位销精确定位，工件装夹后，工件中心与工作台中心基本重合，工件在加装后就不需要进行校正了，从而提高了工件的定位精度和加工效率。
该工序有3个加工面，因此，工件坐标系分别确定为G56、G57、G58，由于该箱体基本上属于对称结构，因此，X坐标的选取最好是工件的中心，我们将X轴坐标值取机床第2参考点，即主轴中心与工作台中心对应的位置，X坐标值为625mm(即1250mm的一般)，分别输入以上3个坐标系中，Y轴坐标值以工件上φ150孔中心为基准选取，Z轴坐标值同样采用试切的方法确定，并分别输入相应的坐标系中。
6 程序编制
加工中心具有自动换刀装置，能在工件一次装夹自动完成铣、钻、镗、铰、攻螺纹等工序，具有高生产力和质量稳定性的特点。为充分发挥加工中心高效率、多功能的特点，应在加工程序设计上注意工序的划分和工艺方法的合理性，它直接关系到加工中心的使用效率、加工精度、刀具数量和经济性等问题，尽量做到工序集中、工艺路线最短、机床停顿时间和辅助时间最少。设计程序时，应将一次换刀作为一个工步，并注明加工内容和要保证的尺寸要求。工步与工步之间增加M01指令，与机床上的OPTION-AL STOP开关配合使用，机床换刀后停止运行，可检验换刀的准确性，以对程序进行充分验证，批量加工时只需将OPTIONAL STOP开关关闭，程序仍执行连续运行模式。粗铣平面时，加工余量较大，工件会产生较大的热变形，应将粗、精铣分开，使零件能够充分冷却。设计钻孔程序时，应考虑孔的加工精度要求，对于精度要求一般的孔加工，可以不使用中心钻预钻。鉴于钻孔后还要攻丝，因此，可将各孔位置编成子程序，采用M98指令呼叫到主程序中，即可方便的重复使用，又可减少编成时坐标的错误。在机床功率许可的情况下，螺孔全部采用刚性攻丝方式，以提高加工效率。精镗孔时，由于一般使用单刃镗刀，编成时还应注意几个问题：一是当手工在主轴位置装刀时，应先用M19指令时主轴递给，然后让刀尖朝内（即背对操作者）进行安装；二是采用G76指令编成时，应设定相应Q值，镗孔完成后，主轴会向刀尖相反的方向移动以定位值（Q）值，退刀时，可避免刀具划伤孔表面。由于该工件个 对称孔的同轴精度要求较高，精镗孔时，应采用不调头的形式镗两侧孔。如果两侧孔直径相同，就可以使用一把刀采用直镗的形式完成两侧孔的加工，如果两侧孔径不同，在编制加工程序时可以先镗孔径大的一头孔，然后换刀（对称孔小孔的精镗刀），工作台不换位，利用镗大孔的X、Y坐标，通过设定适当的Z坐标，使镗刀从大孔一端直伸过去，完成另一侧小孔的镗削。这样，由于采用同一个平面坐标系和同一主轴坐标，消除了调头加工工作台回转的误差，因此，可以确保获得很高的同轴度的加工精度。采用这种方法有一个前提：即两孔间距不能过大，否则会因刀杆过长，在加工时引起振动反而影响加工精度。加工程序总的设计原理是：遵循由粗渐精的原则，先进行粗加工、重切削，去除毛坯上大部分加工余量，然后安排一些发热量小、加工要求不高的部位，使零件在精加工之前有充分的时间冷却，最后再进行精加工。该工件的加工程序顺序为：粗铣各平面—钻孔—攻丝—粗镗孔—精铣—精镗孔。
7 切削用量选择
粗加工时，再工艺系统刚性和机床功率允许的条件下，尽可能选取较大的却削深度，较高的进给量。一般选择的切削深度为5~6mm，主轴转速S为200~300r/min，粗铣平面时主轴移动速度F为300mm/min，粗镗孔时主轴移动速度F为200mm/min；精加工时为了获得较好形位精度和表面粗糙度，切削深度可以小一些，一般选择为0.3~0.5mm，主轴转速S为300~450r/min，精铣平面主轴移动速度F为220mm/min，精镗加工孔时主轴移动速度为100~150mm/min；钻孔时主轴移动速度为300mm/min；攻丝时主轴移动速度为主轴转速乘以螺距，该数值不能有小数点。
8 刀具选择
面、镗刀选用机夹可转位刀具，刀片材料为硬质合金或涂层刀片。钻头和攻丝选用内冷式硬质合金整体式刀具。采用不调头法加工两面对称孔时，由于刀杆较长，长刀杆可以通过不同需要按照模块化刀柄、刀杆系统进行组合；同时，为降低切削时的振动，应选用重金属减振刀杆或阻尼减振刀杆。加工中心所有刀具尽量选用国际中的标准刀具。刀具规格、专用刀具代号和该刀具所要加工的内容，应列表记录下来，供编成时使用。同时，刀库中所有使用的刀具都必须使用进行检测，并将数据输入OFFSET内的刀具补偿值中。从性价比上考虑，粗加工时由于毛坯余量大，加工精度要求低，尽量采用国产刀具，如粗铣刀、粗镗刀。精加工时为提高却削效率，获得较好的表面加工质量，刀具的品牌可以选用伊斯卡、肯纳、瓦尔特、山特维克等知名品牌。
9 结论
采用加工中心加工箱体，批量生产后，每个工件加工时间约为2h，仅为过去加工时间的1/6，加工效率得到极大的提高。此外，由于机床精度自身的保证，彻底消除了接刀痕，各轴承挡之间的同轴度也得到了有效的保证，从而使变速器箱体的加工质量得到了显著的提高，夹具设计简单、实用，使用方便，取得了较好的应用效果。
变速器箱体是机械式传动压路机上的重要零件，其加工质量的好坏将直接影响到压路机传动系统的使用效果。我公司产品所使用的变速器箱体(图1)材料为HT200。该变速器具有体积小、结构简单、使用方便和动作可靠的特点。已经广泛应用于我公司所产的LSS系列振动压路机上。以往箱体加工是在龙门刨床、镗床和上完成平面、轴承挡孔和连接孔的加工，生产效率低且加工质量难以保证，为解决上述问题，我公司引进了以太韩国大宇公司制造的ACE HM800卧式进行箱体加工，取得了很好的应用效果。2 零件工艺过程分析及工序安排
箱体类工件具有以下几个特点：一是加工内容多，需频繁更换机床、；二是加工精度要求高，采用普通机床加工质量难以保证，且由于工艺流程长，周转次数多，生产效率难以提高；三是形状复杂，且大部分为薄壁壳体，工件刚度差，较难装加。采用数控加工中心进行箱体加工，凭借加工中心自身的精度和加工效率高、刚度好和自动换刀的特点。只要制定好工艺流程，设计采用合理的专用和刀具，就完全可以解决上述问题。鉴于该设备为双工作台，因此，我们将该工件B、C面上各种加工要素加工放在01工作台上完成(加工工序1)，其余G、H及排挡侧面的加工要素放在02工作台上完成(加工工序2)，根据上述工序安排，设计相应的专用夹具。
3 毛坯准备
工件上加工中心前的准备工序由其它设备来完成，如零件图1上G、H两侧面的粗加工，放在普通机床上加工，这样一是减少了大余量加工造成的热变形；二是为了加工中心提供了必要的定位基准；三是提高了加工效率。两侧面刨完后，以G面为基准(与加工中心加工时基准一致)将工件平放钳工台上，钳工按图1划出B、C面精加工线及箱体K、H(两侧)各面中心基准线，供加工中心校正用。
4 工序1夹具的设计和使用及加工工艺过程
4.1 工艺过程及夹具的结构和使用
按照前文所述，工序1的加工工序主要包括B、C面精铣，以及C面上6-φ18孔(F)的钻削。为提高加工质量和效率，针对该工序的加工特点设计了一套专用夹具(图2)，该夹具由压板1弹性定位销2、定位销3、弹性定位销4调整螺栓5和底板6组成。使用时，工件D面平放在四个高度可调的定位销3组成的平面上，夹具上有两个弹性定位销2、4与工件上D、E孔配合，即形成一个典型的一面两销定位，定位销2、4设计成弹性的，这是因为工件基准孔为毛基准，其孔径是不规则的，由于定位销具有弹性，即使孔径变化，工件G表面仍然能够靠平在4个定位销组成的平面上，从而使工件能够快速初定位。该夹具为采用孔系组合夹具，可快速拼装和调整，并具有定位精度高，加紧牢固可靠，适合小批量多品种的生产特点。
4.2 工件校正
以刀库中的为校正工具，并使主轴以1000r/min的速度旋转，在两侧F面水平基准线起止处钻头微切工件表面进行试切，根据试切点与基准线的相对位置，确定工件左右中心线是否在同一水平上，校正号工件F面两侧水平后，工作台旋转90°位置，采用同样的方法校正工件B、C两面基准线。最后移动Z轴，校正工件H面中心基准线，看划的线是否在中心上，如果不在，松或紧夹具上的调整螺栓5，微调工件位置，直到校正为止。各基准线均校正好后，用压板1将工件压紧。
4.3 工件坐标找正
较正好工件后，需要找正B、C两个加工面的工件坐标系，设定工件C面坐标系位G54，B面坐标系位G55，选择功能开关至手动输入位置(MDI)，让工件B面面向主轴，调用钻头刀具，钻头对准箱体上事先划好的X和Y轴方向中心线，然后看NC显示器上机械坐标的X轴和Y轴坐标值，并在工件坐标系G55中输入该X坐标值，然后用1250mm(机床X轴圆点坐标)减去X轴坐标所得的数值输入G54坐标系的X坐标。由于工件水平方向已经校正，因此，两坐标系中的Y坐标值相同，按照显示器线实的坐标值输入两坐标系即可。两坐标系的Z坐标值采用试切的方法确定。
5 工序2夹具的设计和适用及工艺过程
该工序的主要加工工艺是个轴承孔的镗削加工，G、H及排挡侧面的铣削加工及各面上联接孔的钻孔及攻丝。此工序的专用夹具(图3)主要是由压板1、垫板2、定位销3、底板4构成，校正后紧固在02工作台上。具体使用方法是：工件加工好的C底板平放于02号工作台专用夹具的垫板2上，并以夹具上两个定位销3为定位基准插入工件上上道工序已加工好的2个F孔中，由于2个F孔的形位精度和尺寸精度较高，这样就可以将工件精确定位在夹具上，同时用垫板2上的4个螺栓与其余4个孔配合，上紧螺母，为提高装夹刚度，再用夹具上4个压板1压紧工件，这样就将工件牢牢地固定在夹具上。调出相应加工程序，执行程序即可加工箱体工序2的各加工要素了。夹具再设计时严格确保了夹具中心、侧面基准与工作台中心、侧面基准高度一致，这样2个定位销的中心就可以看作为工作台的中心，通过采用2个定位销精确定位，工件装夹后，工件中心与工作台中心基本重合，工件在加装后就不需要进行校正了，从而提高了工件的定位精度和加工效率。
该工序有3个加工面，因此，工件坐标系分别确定为G56、G57、G58，由于该箱体基本上属于对称结构，因此，X坐标的选取最好是工件的中心，我们将X轴坐标值取机床第2参考点，即主轴中心与工作台中心对应的位置，X坐标值为625mm(即1250mm的一般)，分别输入以上3个坐标系中，Y轴坐标值以工件上φ150孔中心为基准选取，Z轴坐标值同样采用试切的方法确定，并分别输入相应的坐标系中。
6 程序编制
加工中心具有自动换刀装置，能在工件一次装夹自动完成铣、钻、镗、铰、攻螺纹等工序，具有高生产力和质量稳定性的特点。为充分发挥加工中心高效率、多功能的特点，应在加工程序设计上注意工序的划分和工艺方法的合理性，它直接关系到加工中心的使用效率、加工精度、刀具数量和经济性等问题，尽量做到工序集中、工艺路线最短、机床停顿时间和辅助时间最少。设计程序时，应将一次换刀作为一个工步，并注明加工内容和要保证的尺寸要求。工步与工步之间增加M01指令，与机床上的OPTION-AL STOP开关配合使用，机床换刀后停止运行，可检验换刀的准确性，以对程序进行充分验证，批量加工时只需将OPTIONAL STOP开关关闭，程序仍执行连续运行模式。粗铣平面时，加工余量较大，工件会产生较大的热变形，应将粗、精铣分开，使零件能够充分冷却。设计钻孔程序时，应考虑孔的加工精度要求，对于精度要求一般的孔加工，可以不使用中心钻预钻。鉴于钻孔后还要攻丝，因此，可将各孔位置编成子程序，采用M98指令呼叫到主程序中，即可方便的重复使用，又可减少编成时坐标的错误。在机床功率许可的情况下，螺孔全部采用刚性攻丝方式，以提高加工效率。精镗孔时，由于一般使用单刃镗刀，编成时还应注意几个问题：一是当手工在主轴位置装刀时，应先用M19指令时主轴递给，然后让刀尖朝内（即背对操作者）进行安装；二是采用G76指令编成时，应设定相应Q值，镗孔完成后，主轴会向刀尖相反的方向移动以定位值（Q）值，退刀时，可避免刀具划伤孔表面。由于该工件个 对称孔的同轴精度要求较高，精镗孔时，应采用不调头的形式镗两侧孔。如果两侧孔直径相同，就可以使用一把刀采用直镗的形式完成两侧孔的加工，如果两侧孔径不同，在编制加工程序时可以先镗孔径大的一头孔，然后换刀（对称孔小孔的精镗刀），工作台不换位，利用镗大孔的X、Y坐标，通过设定适当的Z坐标，使镗刀从大孔一端直伸过去，完成另一侧小孔的镗削。这样，由于采用同一个平面坐标系和同一主轴坐标，消除了调头加工工作台回转的误差，因此，可以确保获得很高的同轴度的加工精度。采用这种方法有一个前提：即两孔间距不能过大，否则会因刀杆过长，在加工时引起振动反而影响加工精度。加工程序总的设计原理是：遵循由粗渐精的原则，先进行粗加工、重切削，去除毛坯上大部分加工余量，然后安排一些发热量小、加工要求不高的部位，使零件在精加工之前有充分的时间冷却，最后再进行精加工。该工件的加工程序顺序为：粗铣各平面—钻孔—攻丝—粗镗孔—精铣—精镗孔。
7 切削用量选择
粗加工时，再工艺系统刚性和机床功率允许的条件下，尽可能选取较大的却削深度，较高的进给量。一般选择的切削深度为5~6mm，主轴转速S为200~300r/min，粗铣平面时主轴移动速度F为300mm/min，粗镗孔时主轴移动速度F为200mm/min；精加工时为了获得较好形位精度和表面粗糙度，切削深度可以小一些，一般选择为0.3~0.5mm，主轴转速S为300~450r/min，精铣平面主轴移动速度F为220mm/min，精镗加工孔时主轴移动速度为100~150mm/min；钻孔时主轴移动速度为300mm/min；攻丝时主轴移动速度为主轴转速乘以螺距，该数值不能有小数点。
8 刀具选择
面、镗刀选用机夹可转位刀具，刀片材料为硬质合金或涂层刀片。钻头和攻丝选用内冷式硬质合金整体式刀具。采用不调头法加工两面对称孔时，由于刀杆较长，长刀杆可以通过不同需要按照模块化刀柄、刀杆系统进行组合；同时，为降低切削时的振动，应选用重金属减振刀杆或阻尼减振刀杆。加工中心所有刀具尽量选用国际中的标准刀具。刀具规格、专用刀具代号和该刀具所要加工的内容，应列表记录下来，供编成时使用。同时，刀库中所有使用的刀具都必须使用进行检测，并将数据输入OFFSET内的刀具补偿值中。从性价比上考虑，粗加工时由于毛坯余量大，加工精度要求低，尽量采用国产刀具，如粗铣刀、粗镗刀。精加工时为提高却削效率，获得较好的表面加工质量，刀具的品牌可以选用伊斯卡、肯纳、瓦尔特、山特维克等知名品牌。
9 结论
采用加工中心加工箱体，批量生产后，每个工件加工时间约为2h，仅为过去加工时间的1/6，加工效率得到极大的提高。此外，由于机床精度自身的保证，彻底消除了接刀痕，各轴承挡之间的同轴度也得到了有效的保证，从而使变速器箱体的加工质量得到了显著的提高，夹具设计简单、实用，使用方便，取得了较好的应用效果。
