胡煒,李向陽,陳永峰,陳強星,李恒菊
航空工業(yè)航宇救生裝備有限公司 湖北襄陽 441002
鑄件在機械加工時,基準的選擇非常重要。第一道工序多為劃線,劃線時一般以非加工面為裝夾定位面,稱為粗基準。后續(xù)加工需要選擇已加工面作為定位精基準。粗基準只能用一次,若粗基準設置不正確或者有一些偏差,則會引起零件壁厚不均勻,造成零件報廢,體現(xiàn)出了粗基準的重要性。
加工鑄件時,首先由鉗工劃線確定毛坯余量,由劃線確定機械加工余量是否均勻。圖1所示骨架為精密鑄件,是空中加油接口組件之一,材料為鑄鋁。加工時因受各種因素的影響,廢品率居高不下。
圖1 鑄件骨架
圖1中,零件尺寸精度控制在0.05~0.1mm,同時要保證基準A到未加工表面尺寸1 6 mm,而φ54+0.030mm毛坯材料厚度僅3~4mm,該尺寸已超差。
分析認為,對于鑄造毛坯件的加工應考慮下列因素:鑄件設計精度要求、機械加工要求、鑄造方法、所要生產(chǎn)的鑄件數(shù)量以及其他各種特殊要求,特別是基準目標系統(tǒng)、個別特殊公差、幾何公差、圓角半徑公差以及機械加工余量。
零件鑄造公差參照GB/T 6414—1999《鑄件尺寸公差與機械加工余量》,可知其相對于保留材料3~4mm明顯過大,基準選擇不合理,毛坯余量積累,造成零件余量偏差。此外,加工工序集中,內(nèi)容多,多個尺寸相互關聯(lián),容易發(fā)生毛坯余量分布不均問題,產(chǎn)生材料殘留及局部缺殘現(xiàn)象,槽兩邊不對稱,孔上下毛坯余量不均勻,造成尺寸超差,使零件報廢(見圖2),體現(xiàn)出了加工前選擇粗基準的重要性。
圖2 報廢的零件
此外,工序內(nèi)容相互牽制、相互制約,圓柱面余量均勻與否無法直接由劃線確定,只能依據(jù)加工基準A間接控制。而基準面A以16mm和劃線作為參考進行加工,受鑄造毛坯余量影響,間接造成產(chǎn)生誤差后無法判斷,對圓柱面余量沒有控制,當出現(xiàn)問題時,后續(xù)也無法彌補。
為了提高鑄件的機械加工合格率,應首先分析零件結構,由零件結構確定基準,其中盡量遵循基準重合原則,即鑄件設計基準、鑄造基準及劃線基準重合。
按照GB/T 6414—1999《鑄件尺寸公差與機械加工余量》,鑄造毛坯公差選取精度適中等級的CT5~CT8級(標準規(guī)定,對于不超過16mm的尺寸,不采用C T13~C T16級的一般公差)。對于16mm尺寸,鑄造公差為0.42~1.2mm。而φ54mm外圓柱壁厚3~4mm,<10mm,公差為0.36~1mm,<1 6 mm的尺寸公差,故實際最終需要保證φ43mm、φ54+0.03+0mm處毛坯均勻分布。這就需要再分別從基準轉(zhuǎn)換、定位基準的選擇、工裝夾具、加工設備和加工方法等方面入手進行分析,制定合理的解決方案。
基準的選擇是劃線工作中最為重要的環(huán)節(jié),從設計角度來說,劃線基準優(yōu)先選擇與設計基準重合,或與平臺呈特定的關系;從加工角度來說,應盡量選擇最終尺寸較小處作為定位基準,以保證加工余量均勻分布,保證被加工面與非加工面的壁厚均勻;從裝配角度來說,應保證裝配部件與非加工面的間隙,確保其相互之間不干涉;從使用方面來說,要保證使用時應有的強度。
針對骨架的劃線,結合零件結構特點,首先選用鑄件最大非加工面即最終控制尺寸面作為劃線基準,如圖1所示,相當于距離基準A面16mm的平面。對零件毛坯進行劃線,通過“借料”調(diào)整局部或單一方向缺少材料的問題。劃線還有一個重要目的是檢查毛坯是否存在不可逆轉(zhuǎn)的缺陷,如出現(xiàn)此問題,則原因歸屬于毛坯鑄造模具設計不合理,應提出改進要求,從而避免類似問題的發(fā)生。
由定位基準A轉(zhuǎn)換為φ57mm和φ62mm(兩圓柱鑄造毛坯尺寸)外圓柱為基準,直接選取鑄造對稱中心基準即找正毛坯廠提供的基準線,確保與鑄造基準重合,避免了基準轉(zhuǎn)換出現(xiàn)誤差的現(xiàn)象,可以減掉鉗工劃基準線A這一工序內(nèi)容。
從改變裝夾方式入手,由原來采用專用拼裝夾具劃線,加工過程需要往返裝夾4次,且質(zhì)量無法控制,改為固定定位點和浮動定位,自制專用V形塊輔助工裝。用90°V形塊選取φ57mm和φ62mm圓柱面定位,90°V形定位經(jīng)過sin45°轉(zhuǎn)換,誤差小于平面定位的1/2,從而證明V形定位能有效地減少定位誤差,減少因鑄造誤差對定位精度的影響,免去了重復裝夾的基準轉(zhuǎn)換誤差,相當于提高了粗基準的定位精度。
以φ57mm和φ62mm外圓柱為定位面,計算得出φ57mm在V形塊中心點與φ62mm中心點相距定位面距離Δh=29.85-28.08=1.77(mm)(見圖3),只要加工出高度差為1.77mm的V形塊,在毛坯最理想狀態(tài)下,放置于V形塊中,則兩圓心在同一水平面。為避免因鑄造誤差影響定位精度,設立浮動定位(即高度微調(diào))V形塊,參照GB/T 6414—1999《鑄件尺寸公差與機械加工余量》,選取精密鑄造毛坯的公差為CT6級,則公差為0.52mm。兩V形塊高度差最終為1.77+0.52/2≈2(mm),即用于定位φ62mm圓柱的V形塊相比定位φ57mm圓柱的V形塊低2mm。設計微調(diào)范圍為0~0.8mm,當出現(xiàn)φ57mm毛坯公差為絕對值較大的正負數(shù)值時,以φ62mm為旋轉(zhuǎn)軸,調(diào)整圖3中左邊浮動定位V形塊的高低,同時相應地調(diào)整設定的坐標值Z。毛坯外圓柱面作為粗基準,每件采用浮動定位找正水平,使裝夾更加穩(wěn)定。定位誤差控制在基本尺寸為3~4mm的公差范圍內(nèi)。
圖3 Δh示意
選用骨架毛坯φ57mm和φ62mm外圓柱定位,推算出孔中心到工作臺面尺寸一致。為保證定位準確性、穩(wěn)定性,以及防止鑄造毛坯誤差過大等問題,制作專用V形塊。將長V形塊固定在工作臺上,成為找正時的旋轉(zhuǎn)軸定位基準。短V形塊為活動件,在調(diào)整高低的同時,調(diào)整兩圓柱間距175mm的鑄造毛坯誤差,兩個V形塊底面與拼裝件連接或接觸,三點確定一個平面,在保證放置穩(wěn)定的同時,方便了水平找正。
找正φ57mm和φ62mm中心高度,將中心高度調(diào)整到公差允許的范圍,間接控制最終φ54mm和φ43mm毛坯剩余材料尺寸,免去了鉗工劃線及重復找正的繁瑣及誤差。一次加工完成底面所有要素,保證底面要素相關聯(lián)尺寸精度。同時加工出后工序定位面及定位孔基準,控制精基準與φ57mm和φ62mm毛坯尺寸一致性,確保最終零件厚度均勻。
5 加工效果驗證
采用V形塊定位兩圓柱的方法加工后,后工序采用拼裝夾具裝夾零件,選用工藝基準A和B(見圖1a)即2個M10底孔及已加工面為第二步定位基準,以基準B反推加工C基準,控制尺寸58mm,同時直接保證尺寸16mm,該尺寸有一未加工面保證,屬于鑄造毛坯公差,由前所述為CT6級,尺寸公差為0.54mm。加工φ54mm和φ43mm孔后,零件壁厚均勻,未出現(xiàn)明顯毛坯偏差現(xiàn)象,且易于控制該尺寸,最終能有效地加工出合格的零件,成品如圖4所示。
圖4 成品
按照新基準選擇方法確定骨架加工方案,由原來的9道機械加工工序縮短為2個工步完成全部加工,且最終φ54mm和φ43mm孔加工后,毛坯尺寸均勻,壁厚4mm以及7mm尺寸經(jīng)測量,誤差控制在0.3mm以內(nèi)。后續(xù)加工的3個批次合格率達100%。經(jīng)過多次加工驗證,零件一次加工合格率達到100%,實踐證明這種選擇最終保證最小尺寸面為粗定位基準面的方法有效。
在鑄件加工過程中,合理選擇定位基準十分重要。最終選取保證最小尺寸面為粗定位基準面,同時運用合理的定位方法和加工思路,能夠解決生產(chǎn)過程中存在的因基準轉(zhuǎn)換不合理而引起的質(zhì)量問題。骨架零件加工過程中尺寸、表面粗糙度、幾何公差均達到工藝技術要求,對產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定及加工效率的提高起到了積極作用,反映出該基準選擇思路適用于鑄造毛坯。從鑄件骨架的定位原理分析,進行定位基準的擴展應用,可為鑄件類零件的定位方法及基準的選擇提供一定的參考。