变速器箱体合理选择加工中心

HEATS · 发表于 2010-10-22 08:33:04

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变速器箱体的结构特点和技术要求

-变速器箱体形状复杂，壁薄、呈箱形（图1），其表面具有多处加工部位，如箱体上的轴承孔、叉轴孔、定位削孔、螺钉连接孔以及各种安装平面直接影响着变速器的装配质量和使用性能。因此，变速器箱体加-工具有严格的技术规格要求，如：轴承孔的尺寸精度一般为IT6～IT7，表面粗糙度Ra1.6～0.8μm，圆度、圆柱度为0.013～0.025mm，轴承孔之间的平行度为0.03～0.04mm，箱体连接面的平面度要求为0.05～0.08mm。

箱体加工的工艺分析

箱体属于薄壁类-零件，在装夹时容易变形，因此在加工时，不仅要选择合理的夹紧、定位点，而且还要控制切削力的大小。由于箱体上孔系的位置度要求较高，连接孔、连接面较多，故在加工时需要采用工序相对集中的方法。这种结构特点和技术要求决定箱体加工中，加工中心是最优化的选择。

以前后合箱变速器前壳体加工采用加工中心生产线为例，分析其加工的工艺流程：

□ 由专用铣床粗铣前端面；

□ 采用专用铣床粗铣与中壳体连接面；

□ 如图2所示，在立式加工中心上，完成半精铣、精铣前端面，钻、攻前端面与离合器壳体各连接孔，钻、铰叉轴孔和各种油孔；

□ 如图3所示，在卧式加工中心上，完成与中壳连接面及连接孔、叉轴孔的加工，粗、精镗轴承孔、叉轴孔；

□ 如图4所示，采用卧式加工中心粗精铣顶盖连接面、标牌平面、侧取力面及各面连接螺纹孔；

□ 采用摇臂钻床钻斜油孔。

上述工艺过程的安排，具有如下特点：

1、粗加工与精加工分开进行，可以消除零件加工时的内应力变形、提高加工效率。

2、用作精基准的部位（前端面及两个工艺孔）优先加工，这样使后序部位的加工具有了一个统一的工艺基准，简化了后序的设备工装，减少了工件的定位误差。

3、与传统的组合机床加工线比较，工艺路线大幅缩减，由原来的30多道工序缩减为6道工序，减少了机床的占地面积，减少了零件搬运过程中的磕碰伤。

4、柔性化程度更高，可以在一条生产线上加工多个品种，满足市场多样化的需求。

5、高刚性、高切削速度硬质合金刀具的广泛使用，提高机床的加工效率。钻削加工的切削速度可达120m/min，铣削加工的每齿进给可达到0.3mm、切削深度可达6～8mm。表1所示为，加工中心（使用硬质合金刀具）和普通组合机床（使用高速钢刀具）在效率、精度以及刀具成本等方面的对比。可以看出，加工中心刚性好、各主轴电机功率大，采用硬质合金刀具替代组合机床上常用的高速钢刀具，可以提高加工效率3～5倍，并能大幅提高加工精度。在大批量生产时，可以完全满足产品和工艺的要求，虽然单件刀具成本略有提高，但是从人工成本、设备折旧和产品的性能价格比等多方面考虑，其总的费用大幅度降低。

6、机床具备自动测量和刀具磨损补偿功能，使其在精镗轴承孔等精加工工序中，批量加工精度等级稳定在IT6级以上。

加工中心的选择

每台加工中心都有一定的规格、一定的功能和最佳的使用范围。加工中心分为卧式和立式两种，卧式加工中心适于加工箱型零件，如泵体和箱体等；立式加工中心适合加工板类零件，如上盖、盖板、突缘等。相同规格的加工中心卧式比立式价格上便宜约一半，使用效率也稍差，因此，完成相同的工艺内容，采用立式加工中心比卧式加工中心更经济，但是卧式加工中心的工艺性比较广泛。因此，综合考虑价格和加工工艺的需要，通常在生产线中的加工中心卧式和立式的数量比约为2：1，基本上实现比较平衡的生产节拍。

1、机床规格的选择

机床最主要的规格有工作台尺寸、运动轴数量、运动轴行程、主轴的功率和转矩、刀库容量以及工作台的额定负载等。
以伊顿变速器厂生产的最大箱体为例，该箱体基本尺寸为520mm×320mm×430mm，为了安装夹具留出足够的空间，选取工作台尺寸为630mm×630mm的卧式加工中心，X、Y、Z轴行程分别为1000mm、800mm、810mm，主轴输出功率不小于20kW，最大转矩466Nm，较高的功率和转矩是机床提高切削效率的一个重要指标。

由于箱体上加工孔系较为分散，所以机床工作台具备360°分度功能，另外，采用双交换托盘可以有效提高工作效率。

通常在立式加工中心中，刀库容量不低于20把；卧式加工中心中，刀库容量不低于40把。刀库容量不宜太大，因为大容量的刀库成本高，机构复杂，刀具管理复杂，每更换一种新的产品，机床调整人员就要根据工艺要求对刀具进行整理。

2、机床精度的选择

根据箱体类零件关键部位的加工精度选择机床的精度。机床的定位精度和重复定位精度反映了各运动部件的综合精度，尤其是重复定位精度，它反映了该轴向在有效行程内任意定位点的定位稳定性，这是衡量数控轴能否稳定可靠工作的基本指标。

加工中心数控系统的软件可以对控制轴的螺距误差和反向差值进行补偿，也可对进行传动链上各环节的系统误差进行稳定性补偿。进给传动链中反向失动量也可以用反向间隙补偿功能来补偿，例如，一个数控轴正向给予的运动指令为40mm，实测移动距离为39.985mm，可称反向失动量为0.015mm，由数控系统补偿0.015mm的运动量，便可使坐标移到原点。对于由于各轴机械传动链、驱动伺服元器件工作特性差造成的重复性误差，无法用插补方法得到全部补偿。

3、机床的使用效率

在加工过程中，主轴转速是由被加工件材料所决定的，如加工有色金属，必须选择较高的转速。影响加工效率的最主要因素是换刀时间，因为对于类似箱体类的复杂零件，每加工一个制件，大约需要更换40～50把刀具。采用带机械臂的滚子凸轮式换刀机构（图5）相比斗笠式换刀机构（图6），换刀时间大为缩短，约为5.5s左右。

加工中心常用的刀具和夹具

1、夹具的选用

夹具是完成零件加工的重要保证，夹具设计合理，才能保证零件安装方便和满足加工精度要求。因此，设计夹具时，需考虑下列因素：

（1）工件的定位基准和对夹紧的要求：加工中心是多工序集中加工，零件在一次装夹中，既要粗铣、粗镗，又要精铣、精镗，要求夹具既要能承受大切削力，又要满足定位精度的要求。

（2）夹具、工件与机床工作台面的连接方式：加工中心工作台面上要有基准T型槽、转台中心定位孔、工作台面侧面基准等。

（3）夹具设计时，必须考虑刀具运动轨迹：夹具不能和各工序刀具轨迹发生干涉。例如使用端铣刀加工零件时，在进刀轨迹和出刀轨迹处不能和夹具的压紧螺栓和压板发生干涉；由于钻头及镗刀杆等容易与夹具干涉，因此，箱体加工时，可以考虑利用其内部空间来安排夹紧装置（图7）。

（4）夹具在设计时必须考虑夹紧变形：零件在粗加工时，切削力大，需要夹紧力大，但要防止将工件夹压变形，因此，必须慎重选择夹具的支撑点、定位点和夹紧点，压板的夹紧点要尽可能接近支撑点，避免把夹紧力加在零件无支撑的区域。

（5）夹具必须拆装方便：夹具的夹紧方式有液压夹紧、气动夹紧和手动夹紧。在所加工零件毛坯尺寸合格的情况下，采用液压加紧和气动夹紧夹具可以提高拆装零件的效率。

（6）对批量不大，又经常变换品种的零件，应优先考虑使用成组夹具或组合夹具，以节省夹具的费用和准备时间。

2、刀具的选用

加工中心使用的刀具分为刀柄部分和刃具部分。刃具部分和通用刃具一样，如钻头、丝锥、镗刀、铰刀等。但是必须考虑刀具的直径、长度以及自重。

（1）刀柄的种类：不同的机床规格和不同的生产商，所选用的刀柄规格和系列各有不同。常见的刀柄分为BT系列（常用）、CAT系列、DIN系列（德国常用）。刀柄的规格又根据机床规格的不同分为30、40、50等多个品种。

（2）选择刀柄及刀具的注意事项：首先必须考虑刀柄的通用化，例如，伊顿变速器厂拥有30台加工中心，虽然生产厂家不同，但选择的刀柄仅有两种，卧式加工中心选用BT50刀柄，立式加工中心选用BT40刀柄，不仅增加了刀柄的使用率，还降低了刀具管理成本；其次，首选标准刀具，尽量减少特殊刀具的使用。特殊刀具适用于大批量加工生产中，如复合刀具可以有效节省加工时间，但在目前汽车零部件多品种、小批量的生产条件下，采用特殊刀具并不是经济的选择。

3、加工中心附件的选择

对机床的冷却、防护、排屑、主轴油温控制、冷却液温供控制等附件，要求可靠性高。加工中心机床上冷却防护装置设计的合理性是衡量机床综合水平的重要标志。图8所示卧式加工中心的冷却液喷射采用多头、多管淋浴式冷却、冲洗，并且具有主轴内冷装置，使刀具具备内冷功能。

小结

与传统组合机床相比，采用加工中心加工箱体类零件，无论从提高加工质量、提高生产效率，还是降低生产成本方面，效果都是显著的。选用加工中心，必须考虑其加工经济性，也就是必须从机床规格、切削参数、工装夹具、工件材料、生产批量等多方面考虑。另外，人员的素质培训也是必不可少的。

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