縮短箱體類零件校調(diào)周期的新思路

李日強(qiáng)

（許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，河南許昌 461000）

0 引言

箱體零件是機(jī)械行業(yè)中常見(jiàn)的一種零件形式。該類零件通常具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、相互關(guān)聯(lián)尺寸多、形位公差要求嚴(yán)等特點(diǎn)。該類零件的主要特點(diǎn)決定其加工周期比較長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)其加工周期中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，除了其加工部位多以外，還有一項(xiàng)重要因素就是其加工前的校調(diào)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。尤其對(duì)于多品種、小批量的生產(chǎn)模式而言，縮短箱體零件切削前的校調(diào)時(shí)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(diào)周期的新途徑。

1 問(wèn)題的提出

箱體類零件的加工、校調(diào)較為復(fù)雜。每批次加工前，均須確定工件坐標(biāo)零點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系內(nèi)的具體位置（即對(duì)刀操作）。我公司多品種、小批量的生產(chǎn)模式，決定了一年當(dāng)中該零件需要加工很多批次。這樣一來(lái)，每批次加工前的對(duì)刀操作不僅延長(zhǎng)了零件的校調(diào)周期，而且還造成了操作人員的重復(fù)性勞動(dòng)?，F(xiàn)有的生產(chǎn)方式已經(jīng)變得不適應(yīng)形勢(shì)的發(fā)展要求。

箱體類零件首先在組夾元件（或工裝）中實(shí)現(xiàn)定位可靠定位，然后通過(guò)組夾元件（或工裝）在機(jī)床中的定位，間接實(shí)現(xiàn)工件與機(jī)床間的定位。兩者定位形式大致一致，主要是由1個(gè)支撐面、1個(gè)導(dǎo)向面和1個(gè)限位面的三平面定位組成。

輸出箱體零件是我公司新產(chǎn)品中的一種主要零件，其形位公差要求嚴(yán)，相互關(guān)聯(lián)尺寸多，加工前的校調(diào)過(guò)程較為繁瑣。傳統(tǒng)的裝夾形式如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)的裝夾形式

利用零件底面的兩處工藝銷孔及底面為基準(zhǔn)，使輸出箱體零件與工裝實(shí)現(xiàn)“一面兩銷”的定位；同時(shí)，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(jī)床的裝夾定位就顯得更為麻煩。由于目前加工機(jī)床工作臺(tái)采用T型槽結(jié)構(gòu)，不同批次的工裝在工作臺(tái)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(jī)床中的位置確定下來(lái)，其主要流程如圖2所示。

圖2 工裝夾具調(diào)整流程圖

整個(gè)過(guò)程耗時(shí)、費(fèi)力，并且每個(gè)批次加工前，均須重復(fù)上述勞動(dòng)。有鑒于此，我們有必要探索一條能夠?qū)崿F(xiàn)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(yàn)證

機(jī)械行業(yè)中箱體類零件常見(jiàn)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(guò)分析“三面定位”與“一面兩銷”兩種定位方式的優(yōu)缺點(diǎn)，我們發(fā)現(xiàn)，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(tái)結(jié)構(gòu)不能很好地實(shí)現(xiàn)工件快速定位。因?yàn)椴煌蔚墓ぜ?，在T型槽式結(jié)構(gòu)的工作臺(tái)上定位的位置是各不相同的。為此，我們決定改變現(xiàn)有工作臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，利用“一面兩孔”的定位方式，在新的機(jī)床托盤(pán)上均布定位銷孔，并對(duì)每個(gè)銷孔進(jìn)行編號(hào)，將工件加工零點(diǎn)在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置固定下來(lái)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)工件在機(jī)床中的位置的唯一確定性。加工中只需將第一次校調(diào)工件時(shí)測(cè)得的工件零點(diǎn)坐標(biāo)輸入到相應(yīng)的機(jī)床夾具偏置，在后續(xù)批次的加工中，只需調(diào)用其對(duì)應(yīng)的夾具偏置信息即可獲取工件的定位坐標(biāo)信息，從而實(shí)現(xiàn)工件的快速準(zhǔn)確定位。

2.1 快速定位裝置設(shè)計(jì)原則

為了使新的快速定位裝置滿足實(shí)際需求，在設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)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(yīng)有較強(qiáng)的耐磨性，以滿足頻繁拆裝的需要；4）快速定位裝置應(yīng)有較強(qiáng)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(shè)計(jì)方案的確定

1）改變現(xiàn)有T型槽式結(jié)構(gòu)形式。機(jī)床工作臺(tái)的形式為T型槽式結(jié)構(gòu)，為彌補(bǔ)其在快速定位方面的不足，我們計(jì)劃采用銷孔定位的方式，在新工作臺(tái)上均布銷孔（同時(shí)要將各定位銷孔編號(hào)），實(shí)現(xiàn)工裝與工作臺(tái)的快速定位。

2）在新工作臺(tái)上鉆螺紋孔。為便于工裝的夾緊，我們要在工作臺(tái)上鉆均布螺紋孔，利用螺紋孔及現(xiàn)有夾緊元件（螺桿、壓板等）來(lái)實(shí)現(xiàn)工裝與工作臺(tái)，以及新工作臺(tái)與機(jī)床自身工作臺(tái)之間的夾緊。

3）在新工作臺(tái)上輔以定位靠山及襯套，實(shí)現(xiàn)定位的便于拆卸。

2.3 具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

2.3.1 新工作臺(tái)尺寸的確定

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

2.3.2 工作臺(tái)定位孔尺寸的確定

在定位孔設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，我們?nèi)匝赜霉粳F(xiàn)有組夾元件的尺寸規(guī)格，綜合考慮臺(tái)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(shí)，為保證不同批次加工時(shí)，工裝能擺放到特定位置，我們對(duì)工作臺(tái)上的各個(gè)銷孔進(jìn)行編號(hào)，其結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

2.3.3 新工作臺(tái)的加工精度保證

圖3 工作臺(tái)定位孔結(jié)構(gòu)

由于新工作臺(tái)是要用作加工基準(zhǔn)的，因此其加工精度及穩(wěn)定性就顯得尤為重要。為此我們首先要求鑄件毛坯要經(jīng)過(guò)至少6個(gè)月的自然時(shí)效，在其加工過(guò)程中，我們粗精加工道序分開(kāi)，并在粗精道序間安排第二次時(shí)效處理，同時(shí)嚴(yán)格控制精加工余量，盡可能減少應(yīng)力釋放引起托盤(pán)的變形。

加工完畢并放置一周后，我們對(duì)新工作臺(tái)的平面度進(jìn)行再次測(cè)量，其平面度小于0.02 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

2.3.4 襯套及靠山的設(shè)計(jì)

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

2）襯套內(nèi)壁的確定。根據(jù)設(shè)計(jì)思路，襯套內(nèi)壁要與靠山外圓進(jìn)行配合，兩者之間必然存在間隙誤差，而這種間隙誤差會(huì)直接影響到工件定位基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，因此必須盡可能減少兩者之間的配合間隙，我們根據(jù)斜面之間的自鎖現(xiàn)象，如圖4所示，來(lái)減少襯套與靠山配合過(guò)程中的徑向間隙。

通過(guò)圖4可以看出，當(dāng)滿足下列條件時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)自瑣：mg·cosθ·μ=mg·sinθ，因此μ=tanθ，所以當(dāng)θ=arctanμ時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)自鎖。

圖4 斜面自鎖力學(xué)分析圖

通過(guò)推導(dǎo)，我們將襯套內(nèi)孔的錐度最終確定為16.6°（與BT刀柄和機(jī)床主軸孔之間配合形式一致）。利用襯套內(nèi)壁與靠山外圓之間的錐度配合，來(lái)消除兩者之間的配合間隙，實(shí)現(xiàn)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(jù)相同原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了靠山的具體形式及規(guī)格，如圖6所示。

圖6 靠山結(jié)構(gòu)圖

在上述工作完成后，我們根據(jù)快速定位裝置及輸出箱體的尺寸，設(shè)計(jì)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(shí)物圖

2.5 效果驗(yàn)證

第1批次驗(yàn)證過(guò)程：利用托盤(pán)上3個(gè)公差孔（[C-6]、[D-7]、[J-7]），將零件與工裝和托盤(pán)進(jìn)行定位，并測(cè)出工件零點(diǎn)坐標(biāo)，如圖9所示。

圖9 測(cè)出工件零點(diǎn)坐標(biāo)

第2、3批次驗(yàn)證過(guò)程：將3個(gè)靠山置于3個(gè)公差孔內(nèi)，使零件及工裝與靠山貼緊，直接調(diào)用上次所存儲(chǔ)的工件零點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)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(chǔ)上，我們對(duì)零件的定位信息進(jìn)行了固化，將定位坐標(biāo)反饋到工藝規(guī)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(guī)程卡上的坐標(biāo)信息，將工件與機(jī)床快速定位，然后調(diào)用機(jī)床中所存儲(chǔ)的夾具偏置信息，即可開(kāi)始切削加工。

在所加工零件滿足設(shè)計(jì)要求的前期下，我們對(duì)工裝夾具的校調(diào)時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：批次1工裝夾具校調(diào)時(shí)間70 min、批次2工裝夾具校調(diào)時(shí)間25 min、批次1工裝夾具校調(diào)時(shí)間30 min。

第一次加工時(shí)需考慮工裝的位置擺放、調(diào)整以及工件零點(diǎn)的確定和輸入，因此本次加工的輔助時(shí)間不具普遍性。因此通過(guò)利用快速定位裝置，實(shí)現(xiàn)了縮短輸出箱體校調(diào)周期的目的。

圖11 工藝規(guī)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(chǎn)模式，就決定了快速定位裝置應(yīng)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(xiàn)有快速定位裝置進(jìn)行快速定位，如圖12所示。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)快速定位裝置的實(shí)際加工驗(yàn)證，不僅大大縮短了輸出箱體加工中校調(diào)周期，而且減少了操作人員的重復(fù)性勞動(dòng)，其他類似箱體零件也可以借用該進(jìn)行快速定位裝置。