数控龙门铣四轴加工技术探讨
时间：2022-09-25 | 来源：佚名
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数控龙门铣床是近几年陆续登上我国老工业基地的新型设备，为我国先进的加工技术做出了不朽的贡献。但是，它也被限制在三维空间内进行各种加工，对于四轴及五轴的加工也是无能为力的。
本文介绍的是用CKUMA-MCR-ASCⅡ数控龙门铣床加工HS-FAS-2111支架（见图1）。该件除上下面具有定位销孔外，在Z方向还有两斜面，并在斜面内各自有各坐标孔。
下面论述加工需自制具有简单而精确旋转功能的先进夹具，完成四轴的加工技术，以完善和充实该机床之不足。
图 1
一、技术分析
该支架采用Q235—A焊接件，是用于汽车装配线上重要部位的零部件。
支架上下面均有坐标定位孔，上下各定位坐标孔位置公差±0.02mm。上下坐标孔与两侧斜面的位置公差是以两斜面交点（153.9±0.02）mm 分别向两侧分步。
在侧面的各坐标孔，除位置精度在±0.02mm外，其倾斜角度分别为22o±0.05′、19.5°±0.05′，切相交点偏离中心1.1mm，与侧面距离为（153.9±0.02）mm。
左侧是（142.4±0.02）mm、（210±0.02）mm，而右侧是（150.1±0.02）mm、（210±0.02）mm，支架与底面旋转点距离（436.5±0.02）mm，偏心距离不是155mm，而是（153.9±0.02）mm。
该件关键加工部位是两侧斜面的相交点（436.5±0.02）mm，及该相交点至各斜面的坐标孔。
二、工艺编制
为了保证加工件的几何公差，所有的坐标孔面均应分粗精加工。并且，该件在粗加工后应放置一段时间，至少不小于24h，待工件消除切削应力后再进行各部位的精加工。
三、工装设计原则
该工件两侧斜面的加工，必须采用高精度的角度调整功能，就是四轴旋转功能。而龙门铣床不具备加工斜面功能，只能设计专用的角度旋转夹具，当工件精加工时，一次性将两侧斜面加工成品，该夹具应具备以下功能和特点：
①该夹具是典型的一面两销定位方法，即以底面和两坐标孔定位。坐标孔应选择两距离较远位置，即相距（345±0.01）mm的两个φ8H7坐标孔。
②该夹具还必须具备一次性装夹的功能，即夹具需具备左右翻转功能，且翻转角度的误差必须≤±0.05o。
③该夹具应具备加工各种左右翻转角度功能，根据被加工件共同特点，左右翻转±30o为宜。
④该夹具底座需安装在龙门加工中心工作台上，并必须用平键和工作台定位，该工作台定位槽宽度24H7，而夹具定位键宽度公差采用基孔制h7即可。
⑤该夹具工作台大小应和底座匹配，为确保夹具强度，其厚度不得小于36mm。
⑥该夹具翻转装置采用焊接件即可，分别焊接在底座和工作台上下面，其位置应合理配置。
⑦该夹具角度旋转应采用精度较高的分度头，即北京机床厂生产的F11125。该分度头旋转主轴孔两端都是莫氏4号定位孔，中心与底面相距125mm。
⑧该夹具各关键件的加工精度，不得小于8级公差精度。
根据以上分析，该夹具应根据角度工件的形状特点，既要具备较高精度，又要考虑其通用性；既要具备安装中大型工件的能力，又要考虑制作方便可行的经济效益（见图2）。
图 2 1.中心旋转轴 2.中心莫氏套 3.工作台 4.底座 5.两侧旋转轴
四、关键件的设计情况
底座是该夹具的基础件（见图3），它必须具备以下条件：
①外形360mm×600mm即可，该大小既要适用于本次工件的加工范围，又要具备一定的通用性和广泛的使用性能，属于中型加工件的专用夹具。
②该件底面的几何公差确定在平面度0.02mm，为工作台安装后的平面精度提供条件。
③该件的旋转孔定位φ40H7，承受工件质量的能力绰绰有余。
④该旋转孔是和F11125分度头配套使用，其与底面距离（125±0.01）mm。
⑤该孔左右各一个，除保证与底面（125±0.01）mm的尺寸公差外，还必须对称中心0.02mm。
⑥该底座底面定位键槽宽24H7，与机床本身工作台配套使用。
⑦该定位槽应与旋转孔中心对称0.02mm，以防止使用时旋转中心偏移。
⑧该底座的4个定位槽是固定各种角度定位柱的基面，应与底面统一尺寸（16±0.01）mm。
图 3
工作台是和底座链接在一起的关键件（见图4），它除了担负装夹各种加工件的任务外，很重要的是负责旋转各种角度，这就要求具备以下技术要求：
①外形360mm×600mm，与底座配套使用。
②该工作台上平面的几何公差确定在平面度0.02mm，为工件精加工时提供合理的装夹精度。
③该件的中间旋转定位孔φ40H7前后各一个，是与底座旋转孔配套使用的，前孔需安装模式4号锥套，后孔则担负着固定安装旋转轴的功能。前后孔对工作台上平面尺寸精度（71±0.01）mm。
④该件两侧各有4个φ30H7通过孔，在定位孔上安装高精度的转轴，转轴上安装同一高度的旋转定位柱，当角度确定后，用两侧随角度配套使用的角度定位柱，检测旋转角度的正确与否，同时起到固定工作台和稳定工件的作用。
⑤为防止各套在旋转过程中松动，在中间旋转套的侧面钻有螺钉孔，待套安装后，用沉头螺钉压紧。
图 4
该件是安装在工作台中间的前旋转孔上，它除了担负着底座和工作台上下联接的作用外，更重要的是担负着联接分度头安装使用的作用，所以它必须具备以下功能：
①材料采用45钢，精加工前需热处理硬度48HRC，并且表面发蓝处理。
②莫氏孔需涂色检查，接触精度≥85%。
③φ40h7外圆与莫氏孔的同心度要求≤0.01mm，表面粗糙度值Ra=0.8mm。
④为防止转动，在套的端面划两个固定窝，安装时用螺钉将其固定。
图 5
双莫氏连接轴是该夹具的附件，它是紧紧联接夹具和分度头的关键工件，承担着联接夹具和分度头承前启后的作用，它既要传递分度头到夹具的转矩，又要保证左右旋转角度的精度。所以，该连接轴的精度需达到以下要求：
①材料采用40Cr，粗加工后进行调质处理，精加工前进行表面热处理硬度48HRC。
②前后莫氏锥外圆需涂色检查，接触精度≥85%，同心度≤0.01mm。
③前后孔需采用60o中心孔，表面粗糙度值Ra=1.6mm，并带有120o保护窝。
④中间连接轴需和两端锥外圆同时磨出，待分度头和夹具联接后，用卡盘轻轻夹紧，即可增加两个联接件的稳定性。
图 6
五、被加工件安装过程
根据工艺安排，精加工时，龙门铣床担负工序4：精铣上下面，钻铰各坐标孔，其余各孔点窝；工序5：精铣两斜面，钻铰各坐标孔，其余各孔点窝（用专用夹具）。
工序4在这里不做论述，只介绍一下加工两斜面及斜面上坐标孔的内容。
（1）夹具安装前，按规定位置，在工作台上钻出装夹工件的螺钉孔M16-6H共9个。
夹具安装分三步：
①安装前，须将各接触面清洗干净。
②按定位键确定的位置，将夹具安装在龙门铣床的合理位置。
③分度头安装。首先将连接轴安装在分度头的主轴孔内；然后用螺杆拉紧；其次，将分度头轻轻推进夹具的中间莫氏4号孔内，在用螺杆拉紧；最后，用卡盘扳子将连接杆轻轻夹紧，再用扳子将分度头紧固在龙门铣工作台上。
此时夹具和分度头安装完毕，其状态如图7所示。
图 7
找正工作台平面，用分度头调整左右角度，将分度头盘左侧螺钉松开，将定位销插在分度盘内，旋转时，只需旋转插上定位销的分度盘即可，待用百分表找平后，再将左侧螺钉紧固。根据图样要求，分度盘选54孔为好，每孔=10′。22°时，当手柄旋转2圈后等于18°，剩4°，再转24孔即可；19.5°时，再转9孔即可。
该夹具是一面两销定位。首先，要在工作台上钻出定位孔，两定位孔要按着图样要求在工件中心偏离1.1mm处，用探针确定夹具旋转中心位置，即检测连接轴（φ38±0.01）mm外圆，当中心确定后，机床主轴向左侧移动（142.4±0.02）mm，向右侧移动（150.1±0.02）mm，两孔在X方向距离（210±0.02）mm，与工作台侧面127.5mm。
工件的夹压螺钉孔，是在把该夹具安装于龙门铣床之前完成的，根据被加工件底面形状，在6个φ60mm通孔处，钻出夹紧螺杆6处，均采用M16即可。在右侧3个M16螺纹孔处同时钻出3个M16螺钉孔，安装3个支撑垫，用M16螺杆即可，在螺栓上下端把上M16螺母，底螺母紧固螺杆，上螺母和压板配合，起支撑压板作用。
图8所示是工件安装前，销柱、压板及各螺钉摆放位置。
图 8
（2）安装销子后，以销孔定位，将工件安装在工作台上，用螺钉和压板将工件夹紧。
（3）按图8所示要求，用分度头左右旋转夹具角度－19.5°、22°。
角度确定后，须在该夹具两侧安装左右定位柱，以稳定夹具，并在机床工作台上自找合适位置，将该夹具压紧，这里就不详细说明了（见图9）。
图 9
六、加工过程
首先，将图示尺寸按坐标尺寸转换，在数控龙门机床上X、Y和Z方向的编程如下：
关键加工部位是在Y方向加工左右两侧面时，首先用探针将旋转中心零点确定，加工时，每面各留1～1.5mm用探针检测其实际尺寸，按图9所示尺寸移动Y方向坐标。然后，反复精加工各斜面成品。需要重点论述的是，两斜面成品后，其相交点必须保证与夹具旋转点距离为（507.4±0.02）mm的尺寸，才能保证工件底面与两斜面相交点（436.5±0.02）mm的尺寸精度。
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