數(shù)控龍門銑四軸加工技術(shù)

■ 大連豪森設(shè)備制造有限公司 （遼寧 116036） 劉 超

數(shù)控龍門銑床是近幾年陸續(xù)登上我國老工業(yè)基地的新型設(shè)備，為我國先進(jìn)的加工技術(shù)做出了不朽的貢獻(xiàn)。但是，它也被限制在三維空間內(nèi)進(jìn)行各種加工，對(duì)于四軸及五軸的加工也是無能為力的。

本文介紹的是用CKUMAMCR-ASCⅡ數(shù)控龍門銑床加工HS-FAS42024012-2111支架（見圖1）。該件除上下面具有定位銷孔外，在Z方向還有兩斜面，并在斜面內(nèi)各自有各坐標(biāo)孔。

下面論述加工需自制具有簡(jiǎn)單而精確旋轉(zhuǎn)功能的先進(jìn)夾具，完成四軸的加工技術(shù)，以完善和充實(shí)該機(jī)床之不足。

1. 技術(shù)分析

該支架采用Q235—A焊接件，是用于汽車裝配線上重要部位的零部件。

圖 1

支架上下面均有坐標(biāo)定位孔，上下各定位坐標(biāo)孔位置公差±0.02mm。上下坐標(biāo)孔與兩側(cè)斜面的位置公差是以兩斜面交點(diǎn)（153.9±0.02）mm 分別向兩側(cè)分布。

在側(cè)面的各坐標(biāo)孔，除位置精度在±0.02m m外，其傾斜角度分別為22°±0.05′、19.5°±0.05′，切相交點(diǎn)偏離中心1.1mm，與側(cè)面距離為（153.9±0.02）mm。

左側(cè)是（142.4±0.02）mm、（2 1 0±0.0 2）m m，而右側(cè)是（150.1±0.02）m m、（210±0.02）mm，支架與底面旋轉(zhuǎn)點(diǎn)距離（436.5±0.02）mm，偏心距離不是1 5 5 m m，而是（153.9±0.02）mm。

該件關(guān)鍵加工部位是兩側(cè)斜面的相交點(diǎn)（436.5±0.02）mm，以及該相交點(diǎn)至各斜面的坐標(biāo)孔。

2. 工藝編制

（1）鏜：刀校中間連接筋一側(cè)面，平面度≤0.05mm。

（2）鏜：粗銑上下面，凹臺(tái)面加工至成品，其余各面各留1.0～1.5mm。

（3）龍門銑：粗銑兩斜面，坐標(biāo)孔面各留1.0～1.5mm（用專用夾具）。

（4）龍門銑：精銑上下面，鉆鉸各坐標(biāo)孔，其余各孔點(diǎn)窩。

（5）龍門銑：精銑兩斜面，鉆鉸各坐標(biāo)孔，其余各孔點(diǎn)窩（用專用夾具）。

（6）搖臂鉆：各螺紋孔。

為了保證加工件的幾何公差，所有的坐標(biāo)孔面均應(yīng)分粗精加工。并且，該件在粗加工后應(yīng)放置一段時(shí)間，至少不小于24h，待工件消除切削應(yīng)力后再進(jìn)行各部位的精加工。

3. 工裝設(shè)計(jì)原則

該工件兩側(cè)斜面的加工，必須采用高精度的角度調(diào)整功能，就是四軸旋轉(zhuǎn)功能。而龍門銑床不具備加工斜面功能，只能設(shè)計(jì)專用的角度旋轉(zhuǎn)夾具，當(dāng)工件精加工時(shí)，一次性將兩側(cè)斜面加工成品，該夾具應(yīng)具備以下功能和特點(diǎn)：①該夾具是典型的一面兩銷定位方法，即以底面和兩坐標(biāo)孔定位。坐標(biāo)孔應(yīng)選擇兩距離較遠(yuǎn)位置，即相距（345±0.01）mm的兩個(gè)φ8H7坐標(biāo)孔。②該夾具還必須具備一次性裝夾的功能，即夾具需具備左右翻轉(zhuǎn)功能，且翻轉(zhuǎn)角度的誤差必須≤±0.05°。③該夾具應(yīng)具備加工各種左右翻轉(zhuǎn)角度功能，根據(jù)被加工件共同特點(diǎn)，左右翻轉(zhuǎn)±30o為宜。④該夾具底座需安裝在龍門加工中心工作臺(tái)上，并必須用平鍵和工作臺(tái)定位，該工作臺(tái)定位槽寬度24H7，而夾具定位鍵寬度公差采用基孔制h7即可。⑤該夾具工作臺(tái)大小應(yīng)和底座匹配，為確保夾具強(qiáng)度，其厚度不得小于36mm。⑥該夾具翻轉(zhuǎn)裝置采用焊接件即可，分別焊接在底座和工作臺(tái)上下面，其位置應(yīng)合理配置。⑦該夾具角度旋轉(zhuǎn)應(yīng)采用精度較高的分度頭，即北京機(jī)床廠生產(chǎn)的F11125。該分度頭旋轉(zhuǎn)主軸孔兩端都是莫氏4號(hào)定位孔，中心與底面相距125mm。⑧該夾具各關(guān)鍵件的加工精度，不得小于8級(jí)公差精度。

根據(jù)以上分析，該夾具應(yīng)根據(jù)角度工件的形狀特點(diǎn)，既要具備較高精度，又要考慮其通用性；既要具備安裝中大型工件的能力，又要考慮制作方便可行的經(jīng)濟(jì)效益（見圖2）。

圖 2

4. 關(guān)鍵件的設(shè)計(jì)情況

（1）底座。底座是該夾具的基礎(chǔ)件（見圖3），它必須具備以下條件：①外形360mm×600mm即可，該大小既要適用于本次工件的加工范圍，又要具備一定的通用性和廣泛的使用性能，屬于中型加工件的專用夾具。②該件底面的幾何公差確定在平面度0.02mm，為工作臺(tái)安裝后的平面精度提供條件。③該件的旋轉(zhuǎn)孔定位φ40H7，承受工件質(zhì)量的能力綽綽有余。④該旋轉(zhuǎn)孔是和F11125分度頭配套使用，其與底面距離（125±0.01）mm。⑤該孔左右各一個(gè)，除保證與底面（125±0.01）mm的尺寸公差外，還必須對(duì)稱中心0.02mm。⑥該底座底面定位鍵槽寬24H7，與機(jī)床本身工作臺(tái)配套使用。⑦該定位槽應(yīng)與旋轉(zhuǎn)孔中心對(duì)稱0.02mm，以防止使用時(shí)旋轉(zhuǎn)中心偏移。⑧該底座的4個(gè)定位槽是固定各種角度定位柱的基面，應(yīng)與底面統(tǒng)一尺寸（16±0.01）mm。

（2）工作臺(tái)。工作臺(tái)是和底座聯(lián)接在一起的關(guān)鍵件（見圖4），它除了擔(dān)負(fù)裝夾各種加工件的任務(wù)外，很重要的是負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn)各種角度，這就要求具備以下技術(shù)要求：①外形360mm×600mm，與底座配套使用。②該工作臺(tái)上平面的幾何公差確定平面度為0.02mm，為工件精加工時(shí)提供合理的裝夾精度。③該件的中間旋轉(zhuǎn)定位孔φ40H7前后各一個(gè)，是與底座旋轉(zhuǎn)孔配套使用的，前孔需安裝模式4號(hào)錐套，后孔則擔(dān)負(fù)著固定安裝旋轉(zhuǎn)軸的功能。前后孔對(duì)工作臺(tái)上平面尺寸精度（71±0.01）mm。④該件兩側(cè)各有4個(gè)φ30H7通過孔，在定位孔上安裝高精度的轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸上安裝同一高度的旋轉(zhuǎn)定位柱，當(dāng)角度確定后，用兩側(cè)隨角度配套使用的角度定位柱，檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度的正確與否，同時(shí)起到固定工作臺(tái)和穩(wěn)定工件的作用。⑤為防止各套在旋轉(zhuǎn)過程中松動(dòng)，在中間旋轉(zhuǎn)套的側(cè)面鉆有螺釘孔，待套安裝后，用沉頭螺釘壓緊。

圖 3

圖 4

（3）中心莫式套（見圖5）。該件是安裝在工作臺(tái)中間的前旋轉(zhuǎn)孔上，它除了擔(dān)負(fù)著底座和工作臺(tái)上下聯(lián)接的作用外，更重要的是擔(dān)負(fù)著聯(lián)接分度頭安裝使用的作用，所以它必須具備以下功能：①材料采用45鋼，精加工前需熱處理硬度48HRC，并且表面發(fā)藍(lán)處理。②莫氏孔需涂色檢查，接觸精度≥85%。③φ40h7外圓與莫氏孔的同心度要求≤0.01mm，表面粗糙度值Ra=0.8mm。④為防止轉(zhuǎn)動(dòng)，在套的端面劃兩個(gè)固定窩，安裝時(shí)用螺釘將其固定。

（4）雙莫氏連接軸（見圖6）。雙莫氏連接軸是該夾具的附件，它是緊緊聯(lián)接夾具和分度頭的關(guān)鍵工件，承擔(dān)著聯(lián)接夾具和分度頭承前啟后的作用，它既要傳遞分度頭到夾具的轉(zhuǎn)矩，又要保證左右旋轉(zhuǎn)角度的精度。所以，該連接軸的精度需達(dá)到以下要求：①材料采用40Cr，粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，精加工前進(jìn)行表面熱處理硬度48HRC。②前后莫氏錐外圓需涂色檢查，接觸精度≥85%，同心度≤0.01mm。③前后孔需采用60°中心孔，表面粗糙度值Ra=1.6mm，并帶有120°保護(hù)窩。④中間連接軸需和兩端錐外圓同時(shí)磨出，待分度頭和夾具聯(lián)接后，用卡盤輕輕夾緊，即可增加兩個(gè)聯(lián)接件的穩(wěn)定性。

5. 被加工件安裝過程

根據(jù)工藝安排，精加工時(shí)，龍門銑床擔(dān)負(fù)工序4：精銑上下面，鉆鉸各坐標(biāo)孔，其余各孔點(diǎn)窩；工序5：精銑兩斜面，鉆鉸各坐標(biāo)孔，其余各孔點(diǎn)窩（用專用夾具）。

工序4在這里不做論述，只介紹一下加工兩斜面及斜面上坐標(biāo)孔的內(nèi)容。

（1）夾具安裝前，按規(guī)定位置，在工作臺(tái)上鉆出裝夾工件的螺釘孔M16-6H共9個(gè)。

圖 5

圖 6

夾具安裝分三步：①安裝前，須將各接觸面清洗干凈。②按定位鍵確定的位置，將夾具安裝在龍門銑床的合理位置。③分度頭安裝。首先將連接軸安裝在分度頭的主軸孔內(nèi)；然后用螺桿拉緊；其次，將分度頭輕輕推進(jìn)夾具的中間莫氏4號(hào)孔內(nèi)，在用螺桿拉緊；最后，用卡盤扳子將連接桿輕輕夾緊，再用扳子將分度頭緊固在龍門銑工作臺(tái)上。

此時(shí)夾具和分度頭安裝完畢，其狀態(tài)如圖7所示。

找正工作臺(tái)平面，用分度頭調(diào)整左右角度，將分度頭盤左側(cè)螺釘松開，將定位銷插在分度盤內(nèi)，旋轉(zhuǎn)時(shí)，只需旋轉(zhuǎn)插上定位銷的分度盤即可，待用百分表找平后，再將左側(cè)螺釘緊固。根據(jù)圖樣要求，分度盤最好選54孔為好，每孔=10′。22°時(shí)，當(dāng)手柄旋轉(zhuǎn)2圈后等于18°，剩4°，再轉(zhuǎn)24孔即可；19.5°時(shí)，再轉(zhuǎn)9孔即可。

該夾具是一面兩銷定位。首先，要在工作臺(tái)上鉆出定位孔，兩定位孔要按著圖樣要求在工件中心偏離1.1mm處，用探針確定夾具旋轉(zhuǎn)中心位置，即檢測(cè)連接軸（φ38±0.01）mm外圓，當(dāng)中心確定后，機(jī)床主軸向左側(cè)移動(dòng)（142.4±0.02）mm，向右側(cè)移動(dòng)（150.1±0.02）mm，兩孔在X方向距離（210±0.02）mm，與工作臺(tái)側(cè)面127.5mm。

工件的夾壓螺釘孔，是在把該夾具安裝于龍門銑床之前完成的，根據(jù)被加工件底面形狀，在6個(gè)φ60mm通孔處，鉆出夾緊螺桿6處，均采用M16即可。在右側(cè)3個(gè)M16螺紋孔處同時(shí)鉆出3個(gè)M16螺釘孔，安裝3個(gè)支撐墊，用M16螺桿即可，在螺栓上下端把上M16螺母，底螺母緊固螺桿，上螺母和壓板配合，起支撐壓板作用。

圖8所示是工件安裝前，銷柱、壓板及各螺釘擺放位置。

（2）安裝銷子后，以銷孔定位，將工件安裝在工作臺(tái)上，用螺釘和壓板將工件夾緊。

（3）按圖8所示要求，用分度頭左右旋轉(zhuǎn)夾具角度－19.5°、22°。

角度確定后，須在該夾具兩側(cè)安裝左右定位柱，以穩(wěn)定夾具，并在機(jī)床工作臺(tái)上自找合適位置，將該夾具壓緊，這里就不詳細(xì)說明了（見圖9）。

6. 加工過程

首先，將圖示尺寸按坐標(biāo)尺寸轉(zhuǎn)換，在數(shù)控龍門機(jī)床上X、Y和Z方向的編程如下：

（1）X方向。設(shè)銷孔為零點(diǎn)，用探針檢查，左移42mm，右移429－42=387（mm）。

圖 8

圖 9

（2）Y方向。設(shè)夾具旋轉(zhuǎn)中心為零點(diǎn)，用探針檢查，當(dāng)左旋－19.5°時(shí)，Y=169.4mm，當(dāng)右旋22°時(shí)，Y=190.1mm。該工序不能一次完成，需按最終尺寸反復(fù)加工幾次。

（3）Z方向。設(shè)工作臺(tái)平面為零點(diǎn)。①當(dāng)左旋－19.5°時(shí)，Z1=230.9mm，Z2=250.9mm，Z3=270.9mm，Z4=460.9mm，Z5=480.9mm。②當(dāng)右旋22°時(shí)，Z1=215.3mm，Z2=235.3mm，Z3=260m m，Z4=445.3m m，Z5=465.3mm。其中：Z2、Z4為銷孔，其余為螺孔點(diǎn)窩。

關(guān)鍵加工部位是在Y方向加工左右兩側(cè)面時(shí)，首先用探針將旋轉(zhuǎn)中心零點(diǎn)確定，加工時(shí)，每面各留1～1.5mm用探針檢測(cè)其實(shí)際尺寸，按圖9所示尺寸移動(dòng)Y方向坐標(biāo)。然后，反復(fù)精加工各斜面成品。需要重點(diǎn)論述的是，兩斜面成品后，其相交點(diǎn)必須保證與夾具旋轉(zhuǎn)點(diǎn)距離為（507.4±0.02）mm的尺寸，才能保證工件底面與兩斜面相交點(diǎn)（436.5±0.02）mm的尺寸精度。

7. 結(jié)語

數(shù)控龍門銑床是機(jī)械加工企業(yè)常有的大型設(shè)備，但是，由于不具備四軸功能，就是X旋轉(zhuǎn)功能，為增加使用范圍，只好靠夾具彌補(bǔ)數(shù)控龍門銑床的不足。

本夾具是根據(jù)大中型零部件加工的范圍，選用360mm×600mm平面，其高度是在考慮安裝分度頭后的情況下，采用196mm。X方向旋轉(zhuǎn)采用F11125分度頭聯(lián)接的方法，即將分度頭聯(lián)接在該夾具上，靠分度頭手柄左右旋轉(zhuǎn)，按被加工件的要求選擇合理的角度。

本文詳細(xì)論述了夾具關(guān)鍵件加工的技術(shù)要求，如底座和工作臺(tái)，該件的各項(xiàng)精度不得小于8級(jí)精度，處理各面與孔的距離要求全部在±0.01mm以內(nèi)外，各孔與孔的距離要求也同樣在±0.01mm以內(nèi)。上下面的幾何公差均在0.02mm以內(nèi)。連接軸是該件旋轉(zhuǎn)角度功能的關(guān)鍵工件，是聯(lián)接分度頭和該夾具的功能轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵工件，其精度要求較高，兩端莫氏聯(lián)接又定位的錐面接觸精度必須≥85%以上，方能保證旋轉(zhuǎn)角度的誤差。

該工件精加工時(shí)的各定位基準(zhǔn)必須用探針檢查確定，在加工兩斜面空間相交點(diǎn)時(shí)，不能一次加工成品，需留一定的精加工余量，經(jīng)反復(fù)測(cè)量后方能加工成品。斜面的坐標(biāo)孔應(yīng)選數(shù)控龍門銑床工作臺(tái)底面為基準(zhǔn)，防止基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化誤差。

本夾具是根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)的產(chǎn)品情況，經(jīng)過認(rèn)真分析，在角度旋轉(zhuǎn)方面，利用銑床常用的分度頭，前后采用高精度的莫氏定位法，將分度頭巧妙地安裝在該夾具中，填補(bǔ)了數(shù)控龍門銑床之不足，完成了正負(fù)角度旋轉(zhuǎn)高精度加工這個(gè)難點(diǎn)。

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