徐躍增

XU Yue-zeng

（浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，杭州 311231）

0 引言

現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，機(jī)械制造最新特點(diǎn)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(yīng)用從60年代開始研究，已經(jīng)取得了很多的成果，推動(dòng)了機(jī)械制造領(lǐng)域的技術(shù)革命，使傳統(tǒng)的機(jī)械制造單一式正在向現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)發(fā)展。在世界機(jī)器制造業(yè)發(fā)展中，在不同機(jī)床上加工，零件生產(chǎn)長期存在的一個(gè)重要問題，裝夾次數(shù)多，效率較低，箱體類復(fù)雜零件等需用多種刀具先后加工不同平面與孔穴。針對(duì)這種實(shí)際狀況，運(yùn)用新思維、新設(shè)計(jì)、新工藝在一般數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上，研制出了帶自動(dòng)換刀裝置的加工中心，成為機(jī)床中一種多工序集中的復(fù)合式機(jī)床。加工中心是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，可以說是現(xiàn)代最完善的單機(jī)。它是體現(xiàn)柔性自動(dòng)化的基本單元，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的載體，可以自動(dòng)換刀，大大減少了工件搬運(yùn)和裝夾次數(shù)，縮短輔助時(shí)間，進(jìn)一步提高精度、效率和自動(dòng)化程度，降低成本。

由于歷史的原因，基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展起來的加工系統(tǒng)與基于數(shù)控技術(shù)發(fā)展起來的系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)思想，各自都有自己的發(fā)展過程，大多相互獨(dú)立設(shè)計(jì)而成，從而導(dǎo)致了零件的設(shè)計(jì)模型很難轉(zhuǎn)化為制造模型。它們雖在一定的程度上促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展．促進(jìn)了科技進(jìn)步。給企業(yè)帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，但隨著市場的激烈競爭，這種單一的系統(tǒng)已遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化企業(yè)的需要，從而使一體化技術(shù)成為科技界的熱門研究課題。

針對(duì)在鉆、銑、鏜類加工中心上加工箱體零件的工序特點(diǎn)，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(chǔ)上，建立了不同特征的加工方法匹配規(guī)則庫；同時(shí)研究了零件一次裝夾的優(yōu)化問題，對(duì)加工中心的工藝規(guī)劃問題進(jìn)行了詳細(xì)的研究；實(shí)現(xiàn)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(yōu)工藝路線。對(duì)傳統(tǒng)工藝過程進(jìn)行優(yōu)化具有非常重要的工程實(shí)用價(jià)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(diǎn)

加工中心是一種功能較全的數(shù)控機(jī)床，可減少工件的裝夾次數(shù)，節(jié)省大量的專用和通用工藝裝備，節(jié)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(shí)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(qiáng)，當(dāng)零件各加工部位的位置精度要求較高時(shí)，與普通機(jī)床加工相比，可減少機(jī)床數(shù)量，加工中可減少周轉(zhuǎn)次數(shù)和運(yùn)輸工作量，并相應(yīng)減少操作工人，降低生產(chǎn)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(diǎn)。

1.2 工藝路線的確定

工藝路線的擬定是制定工藝規(guī)程的重要內(nèi)容之一，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)從生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的一些綜合性工藝原則，在對(duì)零件功用、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求進(jìn)行充分仔細(xì)的工藝分析的基礎(chǔ)上，擬定工藝路線是工藝規(guī)程設(shè)計(jì)最關(guān)鍵、最重要的內(nèi)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(guān)鍵、重要加工工序，加工中心加工前的預(yù)加工，適合數(shù)控加工的內(nèi)容，安排在加工中心上，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件，找出最優(yōu)方案。

定位基準(zhǔn)的選擇應(yīng)盡量選擇零件上的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)作為定位基準(zhǔn)，還要考慮一次裝夾就能夠完成全部關(guān)鍵精度部位的加工。當(dāng)無法同時(shí)完成包括設(shè)計(jì)基準(zhǔn)在內(nèi)的工位加工時(shí)，其定位基準(zhǔn)的選擇需考慮完成盡可能多的內(nèi)容，應(yīng)盡量使定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合。中心上既加工基準(zhǔn)又完成各工位的加工時(shí)，最好采用一面兩銷的定位方式，以便刀具對(duì)其他表面進(jìn)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(wěn)定，又可選用較小的零件加工余量。

2 箱體零件數(shù)控加工系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

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(shù)要求等方面的信息。當(dāng)工藝設(shè)計(jì)是由人工完成時(shí)，工藝設(shè)計(jì)的任務(wù)就是要根據(jù)這些信息，人用眼睛看圖，制定一個(gè)零件的制造過程。在采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助工藝設(shè)計(jì)時(shí)，并在頭腦中還原圖樣上表達(dá)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，否則計(jì)算機(jī)就不能進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。按照目前已達(dá)到的技術(shù)水平，最重要的問題是計(jì)算機(jī)還不能直接讀懂零件圖。CAPP系統(tǒng)的零件信息輸人與計(jì)算機(jī)內(nèi)部如何對(duì)產(chǎn)品或零件進(jìn)行表達(dá)的問題，需要確定合理的零件信息描述方法，其實(shí)質(zhì)就是如何組織和描述零件信息，分類編碼法從CAD系統(tǒng)讀取，讓計(jì)算機(jī)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(xiàn)形式變換成另一種表現(xiàn)形式，零件分類編碼描述法是按照零件分類編碼系統(tǒng)對(duì)零件進(jìn)行編碼，對(duì)于CAD/CAPP集成系統(tǒng)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(shù)字和它們的組合來代表零件的基本特征信息及其相互聯(lián)系的信息，然后將代碼及一些補(bǔ)充信息輸人CAPP系統(tǒng)。這些特定的文字或數(shù)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(duì)代碼的處理和傳遞，主要適用于派生式CAPP系統(tǒng)。

2.3 參數(shù)化造型

在機(jī)械CAD系統(tǒng)中，參數(shù)化造型是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想，是實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP集成的必由手段。進(jìn)行這些產(chǎn)品設(shè)計(jì)所采用的數(shù)學(xué)模型及產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)都是固定不變的，結(jié)構(gòu)尺寸的差異是由于相同數(shù)目不同值而造成的?？梢詫⒁阎獥l件隨著產(chǎn)品規(guī)格而變化的基本參數(shù)用相應(yīng)的變量代替，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)查詢圖形數(shù)據(jù)庫，由專門的繪圖生成軟件在屏幕上自動(dòng)地設(shè)計(jì)出圖形來。參數(shù)化CAD/CAPP應(yīng)用軟件主要用于標(biāo)準(zhǔn)化的定型產(chǎn)品，對(duì)于這些定型產(chǎn)品，通過變量選取不同的數(shù)值可以將結(jié)構(gòu)不同的產(chǎn)品歸并成一個(gè)參數(shù)圖。通過改變圓的直徑及正方形邊長這兩個(gè)變量，采用一個(gè)參數(shù)化繪圖程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 箱體零件最優(yōu)工藝路線選擇

3.1 工藝規(guī)程編制

依據(jù)箱體類零件常規(guī)加工方法，初步擬定加工工藝規(guī)程為：在立式加工中心上，粗精加工箱體底平面和4個(gè)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(shí)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(zhǔn)，粗加工箱體內(nèi)壁面和孔，同時(shí)完成相應(yīng)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(tái)再旋轉(zhuǎn)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(shù)增加了，避免了因切削應(yīng)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(zhì)量要求；粗精加工分開，兩臺(tái)加工中心同時(shí)加工，且先加工大余量、高硬度的部位，整個(gè)零件的加工時(shí)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(shí)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(jī)床及夾具，降低成本，壓板夾緊，這樣既符合基準(zhǔn)統(tǒng)一的原則，夾具設(shè)計(jì)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(shí)，難度最大之處是箱體側(cè)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(cè)面端面，采用一把+50 mm的硬質(zhì)合金端面銑刀加工，進(jìn)給量可達(dá)600mm/min）；最后用+50 mm的端面銑刀精銑整個(gè)缸蓋面（進(jìn)給量選800 mm/min），再用同一把刀，以800 mm/min的進(jìn)給量粗銑箱體側(cè)面以外硬度較小區(qū)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(jìn)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(shí)效率和質(zhì)量不可兼顧的問題。

本箱體上孔的種類多，數(shù)量大，對(duì)于類型不同、尺寸規(guī)格不同的孔應(yīng)采用不同的加工方法。缸孔的尺寸精度要求高，調(diào)節(jié)尺寸方便、加工精度高、表面質(zhì)量好。粗鏜孔時(shí)選用雙刃鏜刀，硬度高、深度長，其切削力均勻、進(jìn)給量大、效率高；精鏜孔時(shí)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(jù)孔的直徑、深度、形狀、工件材料等進(jìn)行自由組合，特別是前端面曲軸孔尺寸小，粗加工時(shí)鏜刀的剛性不足，不但可以減少刀柄的數(shù)量、節(jié)省刀庫容量，選用銑削方法進(jìn)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(jìn)行粗精加工。工件上各螺紋孔均采用鉆孔、攻絲。四個(gè)底面安裝孔因用作定位孔，精度要求高，故采用鉆、擴(kuò)、鉸孔。

3.4 切削用量參數(shù)控制

切削用量主要包括主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、吃刀量。主軸轉(zhuǎn)速一般根據(jù)切削速度來計(jì)算，吃刀量的大小主要受機(jī)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(jié)合該工件的材料硬度、形狀尺寸、精度要求等諸多因素，進(jìn)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(xué)性能、刀具材料和結(jié)構(gòu)等諸多因素。

4 結(jié)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(jìn)加工工藝方案，選擇合適的定位裝夾方案，實(shí)現(xiàn)零件特征要素加工方法的決策，有效利用各種數(shù)控設(shè)備和加工刀具，設(shè)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(yōu)工藝路線。切實(shí)有效地保證加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，對(duì)傳統(tǒng)工藝過程進(jìn)行優(yōu)化具有非常重要的工程實(shí)用價(jià)值。

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