箱体类零件的工艺分析与质量控制

箱体类零件的工艺分析与质量控制

随着公司的快速发展，越来越多的产品生产和开发，对各种设备箱件的使用性和制造精度的要求越来越高。例如，什么样的加工方法和质量控制方法可以将各种材料制成符合设备使用要求的零件。在加工箱体类零件的过程中,要在无专用工装的情况下进行生产,发现以下等几个问题:(1)孔的同轴度超差;(2)面的平面度超差;(3)孔、面的表面粗糙度超差;(4)孔系的距离超差;(5)孔的圆度、圆柱度超差。本文将从以上五个问题出发,进行分析,并提出问题的具体解决方案及思路。1在箱类零件分析1.1轴的装配精度和垂直度为了保证机器设备对箱体的装配精度要求,对箱体零件的加工提出了一系列技术要求,主要包括对孔与孔的同轴度、中心距及平面的精度和表面粗糙度要求。箱体上的孔大都是轴承支撑孔,孔本身应有较高的尺寸精度、几何形状精度及表面粗糙度要求,否则,将影响轴承外圈与箱体上孔的配合精度,使轴的旋转精度降低。齿轮啮合关系的相邻孔,它们之间应有一定的孔距尺寸精度和平行度要求,否则,齿轮的啮合精度降低,工作时会产生过大的振动和噪声,并降低齿轮的寿命。同轴孔应有一定的同轴度要求,否则,不仅轴的装配困难,且使轴的运转情况变化,轴承的磨损加剧,温度增高,影响机器设备的精度和正常运转。箱体的装配基面和加工中的定位基面应有较高的平面度和表面粗糙度要求,否则,箱体加工时影响定位精度,箱体与机器总装时影响相互位置精度。各支承孔与装配基面应有一定的尺寸精度和平行度要求,与端面应有一定的垂直度要求;同时其余各平面与装配基面也会有一定的平行度与垂直度要求。各种不同的箱体对上述的几方面技术要求的指标也不一样。1.2般党体材料由于铸铁容易成形,切削性能好,价格低廉且吸振性和耐磨性也好,因此,一般箱体的材料大都采用铸铁,在某些特定条件下也有采用其他材料,如采用钢板焊接、镁铝合金制造。1.3孔结构的工艺性箱体的结构形状比较复杂,加工的表面多,要求高,机械加工的工作量大。注意箱体的结构,使其具有较好的结构工艺性,对提高产品质量、降低成本和提高劳动生产率都有重要的意义。从机械加工的角度出发,箱体的结构工艺性有以下几方面值得注意。箱体的基本孔可分为通孔、阶梯孔、盲孔和交叉孔等几类。其中以通孔的工艺性为最好,特别是孔的长度L与孔径D之比L/D≤1～1.5的短圆柱孔,工艺性最好,当L/D>5时为深孔,深孔的精度要求较高,表面粗糙度要求较细时,加工就比较困难。阶梯孔的工艺性较差,尤其当两孔的直径相差很大而且其中小孔较小时,工艺性就更差。盲孔的工艺性很差,钻成然后扩孔,如一些较大盲孔可以用钻头先钻,然后扩、铣、镗孔。交叉孔的工艺性也很差,当刀具加工到交叉口处时,由于不连切削,容易使孔的轴度偏斜和损坏刀具,而且还不能采用浮动刀具加工,为了改善其工艺性可以采用调头钻、镗等。1.4基因加工工艺箱体零件的主要加工表面是轴承支承孔和装配基准平面,如何保证这些表面的加工精度和表面粗糙度要求,以及主要轴承孔与装配基准面之间的距离尺寸精度和相互位置精度是箱体加工的主要工艺问题。此外,箱体上还有一系列具有相互位置精度要求的孔,如何保证这些孔之间的相互位置精度也是箱体零件加工中注意的问题。2影响质量控制的主要因素2.1工装加工基准的选择加工过程中如果基准选择不当,特别是不用专用工装加工单件,或小批量产品,基准的选择非常重要。选择不当会引起平面度超差、孔的同轴度超差等问题。为避免以上问题,按以下方法选择基准。2.1.1球头知识产权外包t分析对于具有不加工表面的箱体,为保证不加工表面与加工表面的相对位置要求,一般选不加工表面作为基准。为能够能正确装夹箱体,工装一般使用可调支承(或自位支承)作为定位元件。现在分析平头支承、球头可调支承与简易自位支承的特点(见图1)。(1)平头支承。一般适用于已经加工的平面。夹紧力大。(2)球头可调支承。一般适用于没有加工的平面等,但是它是点或小球面接触,夹紧力不宜过大。可以用于辅助支承等。(3)简易自位支承。由于在球头上加了一可以自由活动的类似螺母般的圆环,有时可以直接用螺母代替,所以一般适用于没有加工的平面、已经加工的平面。因为是比较大的面接触,夹紧力可以大。可调支承在生产过程中可按需搭配使用。2.1.2相对位置精度误差尽量选用设计基准为定位面,便于减少由于基准不重合带来的相对位置精度误差。尽量用箱体某一(或某一组)精基准为定位面,便于减少由于基准不统一带来的相对位置精度误差。另外在满足相对位置精度的前提下,最好选择便于装夹的面为基准。2.2误差及相互位置精度切削热、夹紧力对孔系的影响,如处理不当,圆度误差及相互位置精度也将会超过一般的设计要求。这点在加工过程中非常注意。一般通过等箱体达到热平衡、精加工时减小夹紧力等方法很好地得到控制。2.2.1粗加工的冷却粗加工时,有大量的切削热产生,同样的热量传递到箱体的不同壁厚处,会有不同的温度产生,薄壁处的金属少,温度升得快,厚壁处金属多,温度升得慢。粗加工后如果不等工件冷却下来就进行精加工,那么薄壁处的温度高,向外膨胀的热变形量大,而厚壁处的温度低,向外膨胀的热度变形量小。这样,加工中在孔内薄壁处实际切去的金属要比厚壁处少。如果孔加工后成正圆,那么冷却下来就会产生圆度误差。因此,箱体孔系的粗精加工通常都分开进行,粗加工后,待工件充分冷却后再进行精加工,以消除工件热度变形的影响。2.2.2孔系的生圆度误差镗孔中若夹紧力过大后着力点不对,易产生夹紧变形。如图2所示,在夹紧力作用下,毛坯孔变形产生圆度误差(图2(a)),镗孔后变圆(图2(b)),松夹后,孔径弹性恢复而变形,被加工孔又产生圆度误差(图2(c))。箱体的夹紧变形也将影响孔系的相互位置精度。为了消除夹紧变形对孔系加工度的影响,精镗时夹紧力要适当,不宜过大,夹紧着力点应选择在实点上,如图3所示。2.3其他因素对孔系加工精度的影响实际生产中影响孔系加工的因素很多,并与镗孔方式有密切的关系。随着镗孔方式的不同,各种因素对孔系加工精度的影响情况也不一样。下面仅就某些特定条件下影响孔系加工质量的几个主要问题进行分析。2.3.1刀具挠曲变形引起的加工误差(1)镗孔时,镗杆受力变形是影响孔系加工质量的主要原因之一。当镗刀杆与主轴刚性联结采用悬臂镗孔时,镗杆受力变形。悬臂镗杆在镗孔过程中,受切削力距M、切削力F及镗杆自重力G的作用。切削力距M使镗杆产生弹性扭曲,主要影响工件的寿命粗糙度和刀具的寿命;切削力F和自重力G使镗杆产生弹性弯曲(挠曲变形),对孔系加工精度的影响严重。(2)由切削力F所产生的挠曲变形作用在镗杆上的切削力F,随镗杆的旋转不断改变方向,使镗杆的中心偏离了原来的理想中心,但应该指出,在实际生产中由于实际加工余量的变化和材料的不均,切削力F是变化的,因此刀尖运动轨迹不可能是正圆。由于加工余量和材质的不均,镗杆进给时,镗杆的挠曲变形也是变化的。(3)镗杆自重力G所产生的挠曲变形镗杆自重力G在镗孔过程中,其大小和方向不变。因此,由它产生的镗杆挠曲变形的方向也不变。高速镗削时,由于陀螺效应,自重力所产生的挠曲变形很小;低速精镗时,自重力对镗杆的作用相当于均布载荷作用在悬臂上,使镗杆实际回转中心低于理想回转中心,杆愈长愈大。以上分析可知,在镗孔过程中必须十分注意提高镗杆的刚度,通常采用措施:(1)尽可能加粗镗杆直径和减少悬伸长度。(2)也可通过减少镗杆自重力来提高。对直径较大的,应做成空心,选择轻质材料的刀具前端组装件,如刀夹、过桥等。2.3.2超声分析合理选择速度进给量、刀具材料有利于对孔系精度的提高。在切削用量三要素中,切削速度对切削温度影响最大,随切削速度的提高,切削温度迅速上升,而背吃刀量变化时,散热面积和产生的热量亦做相应变化,背吃刀量对切削温度的影响很小,因此为了有效控制切削温度以提高刀具寿命,在机床允许的条件下,选用较大的背吃刀量和进给量,比选用大的切削速度更为有利。(1)刀具角度的影响前角和主偏角对切削温度影响较大,前角加大,变形和摩擦减小,因而切削热少,但前角不能过大,否则刀头部分散热体积减小,不利于切削温度的降低。主偏角减小将使切削刃工作长度增加,散热条件改善,切削温度降低。(2)刀具材料的影响根据工件材料选用合适的刀具材料。如高速钢,是含有较多的W、Cr、V合金元素的高合金钢,如W18Cr4V。温度达600℃时,仍能正常切削,其许用切削速度为30～50m/min。硬质合金是以高硬度、高熔点的金属碳化物为基体,以金属Co、Ni等为粘合剂,用粉末冶金方法制成的一种合金,其硬度为74～82HRC,能耐850～1000℃的高温,因此耐磨、耐热性好,许用切削速度是高速钢的6倍,但强度和韧性比高速钢低。YG类硬质合金的韧性较好,但切削韧性材料时,耐磨性较差。因此,它适用于加工铸铁等脆性材料。YT类硬质合金比YG类硬度高,耐热性好,在切削韧性材料时的耐磨性较好,但韧性较差,一般适用于加工钢件。另外采用涂层刀片,性能更佳。刀具造成的问题主要有:(1)根据材料选择合适的刀具材料,刀具几何参数;(2)刃磨合理的切削角度;(3)选合理的切削用量,刀具轨迹。粗精加工时应分别选用合适几何角度、刀具材料的刀具。粗加工选用圆弧半径大、前角小的刀具;精加工时选用前角大,刀尖的刀具进行切削。2.4机床精度的提高数控机床的几何精度、定位精度和切削精度会影响箱体类零件孔的同轴度、直线度等技术要求。为了提高箱体精度应进行检查。(1)机床的几何精度、定位精度和切削精度所包括的各项具体精度指标对箱体的加工均产生影响。数控机床精度检测可参照GB2670或ISO/R230及生产厂家所提供的精度检测内容和精度指标。为使数控机床发挥其高精度、高效率的优势,使机床各部件始终保持良好的运行状态,应做到定期检查,经常维护保养。应该注意数控机床在使用前及使用过程中的精度检验,润滑系统的定期检查及维护。为了提高箱体精度应该进行如下方面的检查及提高:提高机床导轨的直线度、平行度;定期检测机床工作台的水平;提高机床三坐标轴之间的垂直度;提高主轴与工作台的垂直度;提高主轴与回转精度及回转刚度。(2)加工中心加工的箱体一般都有各种孔系和面等组成的。现在一般采用的是分辨率为0.001的回转工作台,所以加工中心回转中心对箱体加工精度影响很大。为保证孔系的相对位置,在机床精度符合箱体加工要求的前提下,正确定期或按需用芯棒测出卧式加工中心的回转中心的具体数值很重要。测试方法如图4所示当工作台分别为0°或180°,通过移动X轴使磁吸在工作台上的百分表压表值(一般压表0.1～0.2)一致,此时数控系统显示的绝对坐标X值即是回转中心X的值。然后当工作台分别为90°或-90°时,用芯棒前端接触百分表,百分表压表值与上面的压表值一样,此时数控系统显示的绝对坐标Z值减去芯棒长L再加上芯棒半径R,即是回转中心Z的值。2.5原始精度的影响在粗加工时由于各种原因造成的变形在精加工的时候会由于让刀产生的复映误差。处理措施为使用锋利的适合相应材料的刀具切削。3加工工艺过程的改进数控设备加工过程中具体解决箱体类零件质量问题的案例。(1)试制加工地铁齿轮箱体时,加工上下箱分型面时,平面度超过0.07mm。定位采用的是大孔端面定位,周围增加辅助支撑增加系统刚性。后来发现平面度问题,在精加工阶段采用了如下措施问题解决:粗加工阶段,表面留0.2mm的余量,定位孔留1～2mm的余量;精加工阶段,除了保持定位可靠性的定位面上方相应的压紧力不变外,其它一律松掉,并用很轻的力重新顶上可调支撑,加上很轻的夹紧力,保持系统刚性提高表面精度。这样既保证了表面平面度,同时销孔通过扩孔、精镗保证销孔的位置度。(2)在加工养路机械的走行齿轮箱体的过程中,发现同轴度超过0.05mm。对加工中心的相关精度进行检查,重新按实际的回转中心值进行计算坐标,解决同轴度超差的问题。(3)在试制和加工箱类零件时,有时出现表面粗糙度差、圆度误差,表面震纹。采取以下操作工现场能采取的措施来解决问题:增加工艺系统的刚性,如增加辅助支撑,调整刀具长度、刀杆直径;选择适合加工相应材料的锋利点的刀片,调整切削参数。4物理面加工法箱体零件加工过程中执行粗、精分开,在未达到热平衡前不宜立即进行精加工。粗加工时,在能保证加工精度的前提下,需要考虑工件及刀具的刚度,增加工艺系统的抗振性,强力切削,提高生产效率。解决热变形造成的影响,一般通过达到热平衡后,在精加工前安排释放应力的环节,释放应力保证孔系的相对位置精度以及其它精度要求。方法是根据具体箱类零件的几何特征按上述的装夹思想,具体对待,原则是在不影响准确定位及工艺系统的抗振性的前提下,减小夹紧力甚至于可以松掉所有的辅助支撑及其夹紧力,然后轻轻重新辅助支撑及轻轻夹紧箱体。在加工箱类零件分型面时,各类地铁齿轮箱体的上下箱体的分型面,定位基准是最大孔的端面,其它均为辅助支撑。精加工前要根据机床、刀具、具体装夹的情况,尽可能提高刀具转速、每个切削刃的切削量提高进给,提高生产效率。夹紧力只要能保证定位的可靠即可,不是越大越好。精加工时,除了支撑在相应定位面上的一个主支撑外,其它的可调支撑及相应的压板均松掉,然后再重新轻轻顶上,然后再将相应上方的压板轻轻压上。夹紧力只要能够保证加工时箱体不振,能够保证表面精度及孔系的相对位置即可,力不可大。合箱后第一次加工时,一般用工艺搭子定位。加工时一定要分清哪个是定位、哪个是辅助支撑。使用夹紧力大小的原则,同上述。但在精加工时要松掉辅助支撑及其上方相对应的压紧力,然后再轻轻顶上可调支撑,压上相应的压板。起定位作用的支