复杂箱体类零件数控加工工艺的研究文档格式.docx
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工艺方案考虑不周，加工路线设计不好，造成数控加工差错，工作量成倍增加，制造成本上升，使得价格昂贵的加工中心使用经济效益差。
因此，对箱体类零件在加工中心上的工艺规程的研究，对提高加工中心的使用质量和使用效率具有十分重要的实用意义！
1.1箱体类零件的结构特点
箱体类零箱体的种类很多，其尺寸大小和结构形式随着机器的结构和箱体在机器中功用的不同有着较大的差异。
但从工艺上分析它们仍有许多共同之处，其结构特点是：
（1）外形基本上是由六个或五个平面组成的封闭式多面体，又分成整体式和组合式两种；
（2）结构形状比较复杂。
内部常为空腔形，某些部位有“隔墙”，箱体壁薄且厚薄不均。
（3）箱壁上通常都布置有平行孔系或垂直孔系；
（4）箱体上的加工面，主要是大量的平面，此外还有许多精度要求较高的轴承支承孔和精度要求较低的紧固用孔。
1.2箱体类零件的技术要求
（1）轴承支承孔的尺寸精度和、形状精度、表面粗糙度要求。
（2）位置精度：
包括孔系轴线之间的距离尺寸精度和平行度，同一轴线上各孔的同轴度，以及孔端面对孔轴线的垂直度等。
（3）此外，为满足箱体加工中的定位需要及箱体与机器总装要求，箱体的装配基准面与加工中的定位基准面应有一定的平面度和表面粗糙度要求；
各支承孔与装配基准面之间应有一定距离尺寸精度的要求。
1.3箱体类零件的材料和毛坯
箱体类零件的材料一般用灰口铸铁，常用的牌号有HT100～HT400。
毛坯为铸铁件，其铸造方法视铸件精度和生产批量而定。
单件小批生产多用木模手工造型，毛坯精度低，加工余量大。
有时也采用钢板焊接方式。
大批生产常用金属模机器造型，毛坯精度较高，加工余量可适当减小。
为了消除铸造时形成的内应力，减少变形，保证其加工精度的稳定性，毛坯铸造后要安排人工时效处理。
精度要求高或形状复杂的箱体还应在粗加工后多加一次人工时效处理，以消除粗加工造成的内应力，进一步提高加工精度的稳定性。
2加工工艺路线的确定原则
加工中心是适用于复杂零件加工的高效自动化机床。
在中小批量的生产条件下，箱体类零件采用加工中心加工具有工序集中、精度高的特点。
其加工工艺路线的确定不只是简单的工艺设计问题，而是一项具有一定规模的技术应用工程。
要求设计人员：
（1）熟悉机床、机制工艺、夹具、刀具、检测等专业知识，能根据件尺寸、精度和结构，确定合理的工艺方案，编制出正确的工序卡。
（2）熟悉加工中心生产流程方面的管理知识。
（3）懂编程。
数控加工是在数控程序的控制下自动完成的，工艺设计的具体内容将贯穿数控编程的始终。
（4）有较强的数控加工工艺分析能力。
因此，加工中心上箱体零件的工艺设计和普通机床与专用机床流水线生产有很大不同。
其加工工艺路线的确定应遵循以下原则：
（1）可靠的保证零件加工质量；
（2）充分的发挥加工中心的功能；
（3）优化工艺过程与走刀路线，高效率生产；
（4）提高加工中心的使用质量，尽量降低制造成本；
（5）安全生产，刀具、工件与机床主体及冷却、防护装置在加工中不得发生任发干涉与碰撞。
3加工工艺路线的确定程序
拟定工艺路线是工艺规程设计最关键、最重要的内容［1］。
箱体零件从铸件检验到成品的整个制造过程的加工工艺路线的确定如图1所示。
在对零件功用、结构特点及技术要求进行充分仔细的工艺分析的基础上，首先选择平面与孔系中精度要求比较高的关键重要加工工序，又适合数控加工的内容，安排在加工中心上，以充分发挥其优势。
这样在加工中心上加工的箱体，其
图1加工中心上零件加工工艺路线确定图
全部工序不都在加工中心上完成。
一般都又三个阶段：
（1）加工中心前的预加工。
如：
毛坯粗加工、加工中心用的定位基准的加工、毛坯加修等。
（2）加工中心工序加工。
（3）加工中心加工完后的终加工。
如钳工、研磨等工序。
“预加工”和“终加工”在普通机床上完成。
这样的安排立足于攻克关键，解决难题，确保质量，提高加工中心的使用质量和使用效益。
工艺方案设计和加工路线的具体拟定都要从整体上进行技术与经济的思考，协调好三个阶段的关系。
4加工工艺路线的确定
拟定工艺路线使设计工艺规程最为关键的一步，需顺序完成以下几反方面的工作：
选择定位基准；
确定各表面加工方法；
划分加工阶段；
安排工序顺序等。
拟定工艺路线，需同时提出几种可能的方案，通过对比分析后，最后确定一种最优方案。
4.1定位基准的选择
箱体定位基准的选择，直接关系到箱体上各个平面与平面之间，孔与平面之间，孔与孔之间的尺寸精度和位置精度要求是否能够保证。
正确选择定位基准，对保证零件技术要求、合理安排加工顺序有着至关重要的影响。
箱体零件通常用一个支承面、一个导向面和一个限位面的三平面装夹方法。
这是最简单、可靠的定位方法，但安装面不能加工。
因而最好采用一面两销定位，方便刀具对其它各表面的加工，但定位精度低于三面法［2］。
传统的一面两销定位，通常以底面作为定位基准。
然而，为满足加工要求，我们应视情况选择其它的定位基准。
下面我就以某变速箱体加工为例，对其加工工艺方案的分析，说明合理的侧面定位基准，能更好的达到技术要求，是最佳的工艺方案。
4.1.1变速箱体零件工艺技术分析
变速箱体零件如图2所示。
主要技术要求如下：
（1）N、H、F、K平面需加工Ra6.3
（2）1-1孔 Ф80K7
2-2孔 Ф50K7
3-3孔 Ф25K7 Ra3.2
（3）3组拔叉孔2-Ф15H9,同组孔壁距离为171mm,其同轴度公差为Ф0.02
（4）孔组Ⅰ-Ⅰ对N面的垂直度公差为Ф0.006mm
（5）A面不需加工
根据技术要求:
3）、4）是变速箱体机械加工的难点和重点。
图2变速箱体简图
4.1.2加工定基准的选择和工艺方案的分析
对于箱体类的零件一面两销定位具有独特的优点,定位可靠,夹紧变形小,操作方便,因此我们同样采用一面两销的定位原理,对变速箱体采用两类四种加工方案的设计:
第一种 传统的直立式定位方法
方案Ⅰ:
以平面A和A面上两孔作为定位基准,定位面在下,夹紧力从上往下将工件夹紧。
优点是敞开性好,夹具设计简单,维修方便,操作容易。
工艺分析:
对前述的难点4作误差分析:
（1）由于定位基准（A面）与设计基准（N面）不重合,存在着基准不重合误差S1,因为A面与N面分两次铣削加工,根据加工经验,两面间的垂直度可达0.03,所以S1=0.03mm
（2）定位销与定位孔一般都采用间隙配合,由于间隙的存在,工件存在着转角定位误差:
tgαmax=（SD1+Sd1+Δ1+SD2+Sd2+Δ2）/2L
图3转角误差示意图
SD1、SD2———两定位孔公差 SD1=SD2=0.018mm
Sd1、Sd2———两定位销公差 Sd1=Sd2=0.011mm
Δ1,Δ2———最小间隙 Δ1=Δ2=0.015mm
L———两定位销之间的中心距,L=219mm
所以tgαmax=0.0002
S2=L1tgαmax=183.5×
0.0002=0.037mm
L1为N面有效长度
Δmax=S1+S2=0.067mm,远远大于公差0.06的1/3
（3）由于A面不需加工,若以此定位,需增加三道加工工序（粗精铣A面如钻扩铰A面两定位孔）因此,此方案不可取。
方案Ⅱ:
以F面及面上的两螺纹底孔定位。
工艺流程为:
粗铣K,F面———精铣K,F面———钻F面螺纹底孔,扩铰两定位孔———铣N,H面,粗镗6大孔———半精镗6大孔———钻三组拨叉孔———扩三组拨叉孔———铰拨叉孔,———精镗6大孔———钻攻各面螺纹孔。
由于三对大孔与3组拨叉孔分两次加工,前述的定位转角误差可能导致大孔与拨叉孔轴线间的平行度误差,其最大值为：
（L2+L3）L/L′tgα=（224+171）219/235.6×
0.0002=0.073mm
式中的L′为F面上两定位孔间的距离。
（图中未标注）
0.073已经超过平行度误差Ф0.1的1/3.
同样道理,其定位误差已经超过垂直度公差1/3，另外增加三道工序，同样不可取。
第二种：
侧面定位方式
改变传统的直立定位方式,而是以侧面定位。
夹紧力呈水平方向作用于工件上,这种定位方式是夹具设计比较复杂,但对技术难点3,4能解决。
具体方案如下:
方案Ⅲ:
选用定位基准与设计基准重合,由于基准重合,不会引起定位误差,则能满足垂直度允差要求。
以N面及N面上的螺纹底孔定位。
粗铣N,H面———精铣N,H面———钻N面上的螺纹底孔,扩铰两定位孔——-铣K,F面———粗镗6大孔,钻6拔叉孔———半精镗（扩）12孔———精绞12孔———钻,攻各面螺纹孔。
（1）对垂直度和平行度有利,较好解决技术上的难点。
（2）N面上的M10螺纹底孔只有Ф8.4,采有侧面定位,定位销要承受工件重量,定位销直径太小,强度和刚度差,易变形,严重影响定位的可靠性,加之N面较小,两定位孔间距为L=169.4。
转角误差较大,对孔加工尺寸精度影响较大。
（3）由于六孔同时粗镗,轴向切削力很大,且与夹紧力方向相反,这样势必采用较大夹紧力。
因而导致夹紧力过大,引起工件变形,影响加工精度。
方案Ⅳ:
以H面及面上的两螺纹底孔定位,其工艺过程为:
粗铣N,H面———精铣N,H面———铣K,F面———粗镗6大孔,钻6拔叉孔。
———半精镗扩12孔———精绞12孔———钻攻各面螺纹孔。
（1）H面M12螺纹底孔可加工到Ф10.2,定位销的强度刚度较大提高,且H面积大,两孔距达L=231mm。
转角误差小有利于保证和提高产品的加工精度。
（2）H面上仅两大孔同时镗削,夹紧力较方案Ⅲ大为减少,从而减少变形,保证了加工精度。
（3）对于前述难点4,该方案虽存在着基准不重合误差。
即N,H面的平行度误差影响Ⅰ-Ⅰ轴线N面的垂直度误差,但因N,H是采用双面铣加工工艺。
对机床调整好,可使两平面平行度控制在0.02mm以内。
又转角误差方案Ⅲ对垂直度误差无影响,因此其定位误差为:
Δmax≤0.02mm 小于垂直度公差的1/3。
（4）以H面定位,将K面置于下方,可以较方便地从K面的窗口处设置中间导向装置。
实现12孔同时加工,减少三道加工工序,较好地保证了各组孔的同轴度和平行度。
经分析、比较和研究计算,综合各方面的情况,选择侧面定位方式,对于技术难点（3）、（4）的解决方便易行，此方案切实可行。
4.1.3结果分析
表1结果分析表
序号
定位基准
与设计基面的关系
加工精度
加工工序数
方案Ⅰ
A面
不重合
不能保证
17
方案Ⅱ
F面
14
方案Ⅲ
N面
重合
难以保证
11
方案Ⅳ
H面
可以保证
由上表可以看出:
选择四个平面作为定位基准,有四个不同的加工方案。
定位基准与设计基准重合,虽然不会引起定位误差和它所导致的形位误差,但是对该零件因夹紧力和定位孔小的原因,影响其加工精度。
这就说明:
基准重合不一定是最优方案,具体情况具体分析。
4.1.4小结论
合理选择定位基准,不仅能保证加工质量,同时效率高,工序比较少,工时短，满足工艺设计的要求———高质、高效、低耗［2］。
因此,选择合理的定位基准对机械加工工艺方案非常关键。
4.2装夹方法和夹具的选择
箱体类零件多个不同位置的平面和孔系要加工时，往往要两三次装夹。
这时，常常先以三面定位法完成部分相关表面的加工，然后以加工过的一个平面和两个销孔定位，完成其余表面和孔系的加工。
在有数控回转工作台的加工中心上，工件一次装夹可进行四个面加工或任意分度加工［3］。
利用通用元件拼装的组合夹具来加工箱体类零件有很大的优越性，生产周期短，经济效益好。
我们来看下面的一个例子：
图4变速器箱体
零件结构如图4所示。
两侧面刨完后以C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4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。
校正好工件后，需要找正B、C两个加工面的工件坐标系。
该工序的主要加工工艺是两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5）主要是由压板1、垫板2、定位销3、底板4构成，校正后紧固在工作台上。
具体使用方法是：
工件加工好的C底板平放于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前一道工序已加工好的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在该工序的各加工要素了。
在面加工中，一定要考虑到加工工艺的灵活性。
在定位、夹紧点的选择上注意以下几个问题：
（1）由3个支撑点形成一个支撑平面来支撑工件，这样可以避免由于毛坯工件的平面度偏差而造成加工表面的平面度超差，并且支撑点与夹紧点应上下重合，避免形成弯矩引起工件变形。
由于夹紧引起的工件弹性变形，在松开夹紧后回弹，会造成平面度超差，这是引起平面度超差的主要原因。
（2）支撑点和夹紧点最好是球面，保证各处是点接触，否则会因为毛坯平面的挠曲变形造成夹紧变形。
这个变形同样会造成平面度超差。
图5夹具示意图
（3）2个限制转动自由度的定位点，距离尽可能远，如果毛坯有预注孔，用2个预注孔采用弹性圆锥销定位是最简单的定位方案。
选择装夹方法和设计夹具是要注意：
（1）尽可能选择箱体的设计基准为精基准；
粗基准的选择要保证重要表面加工余量均匀，使不加工表面的尺寸、位置符合图纸要求，且便于装夹。
（2）加工中心高速强力切削，定位基面要有足够的接触面积和分布面积，以承受大的切削力且定位稳定可靠。
（3）夹具本身要以加工中心工作台上的基准槽或基准孔定位安装到机床上，这就使零件在夹具上的工件坐标系与机床坐标系建立了确定的尺寸联系，便于数控编程坐标设置。
4.3加工方法的选择
根据零件的结构特点和加工内容选择合适的加工中心和加工方法［4］。
箱体类零件一般都有多个不同位置的平面和孔系要加工，这时先确定平面和孔的终加工方法，然后再逐一选定该表面前序的加工方法。
4.3.1平面加工
加工中心上加工箱体平面普遍采用铣削，尤其端铣刀铣削大平面。
要注意加工面宽度B和铣刀直径D的关系为：
B=（0.6～0.9）/D
当铣大平面时，选用大于工件1/2宽度的铣刀，尽量缩短走刀路径。
如果端铣刀无法接近或要加工各种形状的凹平面，那么用指状铣刀加工。
采用密齿铣削和强力铣削，是铣削工艺发展的趋势。
4.3.2平行孔系的加工
箱体上重要孔的尺寸精度多为IT6～IT8级，表面粗糙度为Ra0.4～1.6μm。
铸孔采用粗镗—半精镗—精镗工序，小孔采用钻—扩—铰方式进行。
一般孔只需钻---扩或钻；
螺纹孔采用钻—倒角—攻丝工序。
采用指状铣刀铣圆来加工孔也常用到。
在数控机床上加工平面孔系，常用点位、直线控制数控机床（如数控钻床）来加工，选择工艺路线时，主要考虑加工精度和加工效率两个原则［4］。
图6平行孔系
如图6所示的工件，现在有两种工艺方案可供选择。
两种工艺路线为：
A：
1孔---2孔---3孔---4孔---5孔---6孔
B：
1孔---2孔---3孔---4孔---6孔---5孔
若考虑加工效率，选择路线A比B好；
但若考虑加工精度，路线B比路线A好，因为路线B消除了反向间隙。
4.3.3同轴孔系的加工
箱体零件同轴孔的主要工艺特点，既有形状尺寸要求，又有位置尺寸要求。
即单孔有自己的形状尺寸要求，同轴孔的孔与孔之间既有相互精度要求，又有孔与其它孔和面的位置精度要求［5］。
其主要形状位置精度要求有：
（1）轴承孔孔径尺寸公差小；
（2）位置度公差要求高；
（3）圆度公差允许值小；
（4）同轴度公差要求高；
（5）跳动量公差小；
（6）表面粗糙度数值低；
（7）垂直度公差允许值小；
（8）圆柱度公差小。
加工同轴孔常见质量问题引起的原因除了切削热、工件的夹紧力影响外，加工中的工艺安排、加工方法以及选用刀具不合理也会引起质量问题。
加工中常见的质量问题主要有以下几个方面：
孔的表面粗糙度数值高；
同一孔的圆柱度误差；
同轴孔系的同轴度误差；
平行孔系的平行度误差和孔距误差；
孔的圆度误差等。
箱体零件同轴孔的孔径排列有等径式和递减式，轴承孔有平行孔系和同轴孔系，因此，加工难度十分大。
同轴孔的加工如图7所示.
图7同轴孔加工示意图
箱体零件的同轴孔系，一般均用一面两销的定位方式来装夹加工。
采用加工中心的柔性化生产，便于产品的多品种同时生产及产品的不断更新换代，达到以低成本的投资来适应新产品快速上马的目的［5］。
同样的工艺要求，不同样的设备，其同轴孔的加工方法也不同。
采用加工中心加工也有两种加工方式：
（1）同轴孔采用调头加工
加工中心通过夹具旋转180°
来加工同轴孔，与专机线的回转盘相似。
这种加工方法，往往5个孔的同轴度易出现超差。
有时，夹具旋转数据接收出现错误，致使#1、#2孔与#3～#5孔不在同一直线上。
因此，这种加工方式在加工中易出现报废件，不一定能达到精加工的加工要求。
（2）工件一次夹具定位，两把刀具完成加工
要保证加工中心加工同轴孔达到工艺技术要求，利用一根镗把加工5个孔或更多孔存在一定困难。
长镗把由于没有托架的辅助支撑，如果选用700～800r/min左右的转速，悬臂镗杆在精镗过程中，刀杆在高速旋转下，镗把的高离心力会导致镗把头部旋转的幅度变大，致使加工孔径也变大，严重时可能造成镗把飞离主轴。
而选择低速切削，则效率低，成本高，且不一定达到表面粗糙度要求，又不能满足生产节拍。
目前比较合理的加工方法是：
等径同轴孔采用长短结合的两把镗把来完成同轴孔的加工。
先用短镗把加工#1、#2孔（见图8），再利用已加工的#1、#2孔作
图8加工#1、#2孔
支承导向，用长镗把加工完成#3～#5孔。
#1、#2孔作钻模套使用，支撑住镗把，使孔的同轴度得到保证。
长镗把的加工过程如下:
主轴停转---主轴推动长镗把进入已加工孔#1、#2轴承孔---待长镗把刀头接近#3孔时，主轴开始旋转---主轴在旋转中进给，直至#3～#5孔加工完成---主轴停转，镗把退出。
在此加工过程中，长、短镗把的加工孔径尺寸工艺要求相同。
但在实际加工
中，短镗把的刀具直径调整取公差较大值，长镗把的刀具直径则取较小值，避免刀头碰到工件孔壁。
递减式同轴孔也采用两把镗把来完成同轴孔的加工。
先用短镗把加工#5孔（假设#5孔的孔径最小），夹具旋转180°
，再利用已加工的#5孔作长镗把的辅助托架，由长镗把完成#1～#4孔的加工，使孔的同轴度得到保证。
长镗把图片短镗把图片
图9镗把外形图
4.3.4注意事项
加工方法选择时，要注意采用新的刀具和加工原理；
孔系及孔与平面的形位公差由机床和夹具保证［6］。
4.4加工阶段的划分
箱体的加工精度要求高，宜将加工工艺过程划分为粗加工、半精加工、，精加工三个阶段。
若精度与表面质量要求特别高时，还要经过光整加工。
对重要的箱体粗加工后，还要进行时效处理。
精密箱体零件在主要表面粗加工和次要表面加工完后，磨基准面。
阶段的划分是对整个加工过程而言，划分阶段并不是绝对的。
在高刚度高精度的加工中心加工刚性不特别高和加工余量不特别大的工件，就不必划分阶段。
当长孔和大平面存在时，粗加工和精加工走刀应该分成单独工序。
箱体的五个或六个面要加工时，一次装夹不可能完成零件加工，应按结构特点与技术要求将加工部分分成几个相关部分，安排二至三
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