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數控龍門銑四軸加工技術探討
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數控龍門銑床是近幾年陸續登上我國老工業基地的新型設備,爲我國先進的加工技術做出了不朽的貢獻。但是,它也被限制在三維空間內進行各種加工,對于四軸及五軸的加工也是無能爲力的。 
用CKUMA-MCR-ASCⅡ數控龍門銑床加工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,並在斜面內各自有各坐標孔。  

下面論述加工需自制具有簡單而精確旋轉功能的先進夾具,完成四軸的加工技術,以完善和充實該機床之不足。
一、技術分析
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。
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。
在側面的各坐標孔,除位置精度在±0.02mm外,其傾斜角度分別爲22o±0.05′、19.5°±0.05′,切相交點偏離中心1.1mm,與側面距離爲(153.9±0.02)mm。
左側是(142.4±0.02)mm、(210±0.02)mm,而右側是(150.1±0.02)mm、(210±0.02)mm,支架與底面旋轉點距離(436.5±0.02)mm,偏心距離不是155mm,而是(153.9±0.02)mm。
該件關鍵加工部位是兩側斜面的相交點(436.5±0.02)mm,及該相交點至各斜面的坐標孔。
二、工藝編制
镗:刀校中間連接筋一側面,平面度≤0.05mm。
镗:粗銑上下面,凹台面加工至成品,其余各面各留1~1.5mm。
龍門銑:粗銑兩斜面,坐標孔面各留1~1.5mm(用專用夾具)。
龍門銑:精銑上下面,鑽鉸各坐標孔,其余各孔點窩。
龍門銑:精銑兩斜面,鑽鉸各坐標孔,其余各孔點窩(用專用夾具)。
搖臂鑽:各螺紋孔。
爲了保證加工件的幾何公差,所有的坐標孔面均應分粗精加工。並且,該件在粗加工後應放置一段時間,至少不小于24h,待工件消除切削應力後再進行各部位的精加工。
三、工裝設計原則
該工件兩側斜面的加工,必須采用高精度的角度調整功能,就是四軸旋轉功能。而龍門銑床不具備加工斜面功能,只能設計專用的角度旋轉夾具,當工件精加工時,一次性將兩側斜面加工成品,該夾具應具備以下功能和特點:
①該夾具是典型的一面兩銷定位方法,即以底面和兩坐標孔定位。坐標孔應選擇兩距離較遠位置,即相距(345±0.01)mm的兩個φ8H7坐標孔。
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功能,且翻轉角度的誤差必須≤±0.05o。
③該夾具應具備加工各種左右翻轉角度功能,根據被加工件共同特點,左右翻轉±30o爲宜。
④該夾具底座需安裝在龍門加工中心工作台上,並必須用平鍵和工作台定位,該工作台定位槽寬度24H7,而夾具定位鍵寬度公差采用基孔制h7即可。
⑤該夾具工作台大小應和底座匹配,爲確保夾具強度,其厚度不得小于36mm。
⑥該夾具翻轉裝置采用焊接件即可,分別焊接在底座和工作台上下面,其位置應合理配置。
⑦該夾具角度旋轉應采用精度較高的分度頭,即北京機床廠生産的F11125。該分度頭旋轉主軸孔兩端都是莫氏4號定位孔,中心與底面相距125mm。
⑧該夾具各關鍵件的加工精度,不得小于8級公差精度。
根據以上分析,該夾具應根據角度工件的形狀特點,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濟效益(見圖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、關鍵件的設計情況
1、底座
底座是該夾具的基礎件(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範圍,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,爲工作台安裝後的平面精度提供條件。
③該件的旋轉孔定位φ40H7,承受工件質量的能力綽綽有余。
④該旋轉孔是和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,除保證與底面(125±0.01)mm的尺寸公差外,還必須對稱中心0.02mm。
⑥該底座底面定位鍵槽寬24H7,與機床本身工作台配套使用。
⑦該定位槽應與旋轉孔中心對稱0.02mm,以防止使用時旋轉中心偏移。
⑧該底座的4個定位槽是固定各種角度定位柱的基面,應與底面統一尺寸(16±0.01)mm。
2、工作台
工作台是和底座鏈接在一起的關鍵件(見圖4),它除了擔負裝夾各種加工件的任務外,很重要的是負責旋轉各種角度,這就要求具備以下技術要求:

①外形360mm×600mm,與底座配套使用。
②該工作台上平面的幾何公差確定在平面度0.02mm,爲工件精加工時提供合理的裝夾精度。
③該件的中間旋轉定位孔φ40H7前後各一個,是與底座旋轉孔配套使用的,前孔需安裝模式4號錐套,後孔則擔負著固定安裝旋轉軸的功能。前後孔對工作台上平面尺寸精度(71±0.01)mm。
④該件兩側各有4個φ30H7通過孔,在定位孔上安裝高精度的轉軸,轉軸上安裝同一高度的旋轉定位柱,當角度確定後,用兩側隨角度配套使用的角度定位柱,檢測旋轉角度的正確與否,同時起到固定工作台和穩定工件的作用。
⑤爲防止各套在旋轉過程中松動,在中間旋轉套的側面鑽有螺釘孔,待套安裝後,用沈頭螺釘壓緊。
3、中心莫式套:龍門加工中心
該件是安裝在工作台中間的前旋轉孔上,它除了擔負著底座和工作台上下聯接的作用外,更重要的是擔負著聯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,並且表面發藍處理。
②莫氏孔需塗色檢查,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爲防止轉動,在套的端面劃兩個固定窩,安裝時用螺釘將其固定。
4、雙莫氏連接軸
雙莫氏連接軸是該夾具的附件,它是緊緊聯接夾具和分度頭的關鍵工件,承擔著聯接夾具和分度頭承前啓後的作用,它既要傳遞分度頭到夾具的轉矩,又要保證左右旋轉角度的精度。所以,該連接軸的精度需達到以下要求:
①材料采用40Cr,粗加工後進行調質處理,精加工前進行表面熱處理硬度48HRC。
②前後莫氏錐外圓需塗色檢查,接觸精度≥85%,同心度≤0.01mm。
③前後孔需采用60o中心孔,表面粗糙度值Ra=1.6mm,並帶有120o保護窩。
④中間連接軸需和兩端錐外圓同時磨出,待分度頭和夾具聯接後,用卡盤輕輕夾緊,即可增加兩個聯接件的穩定性。
五、被加工件安裝過程
根據工藝安排,精加工時,龍門銑床擔負工序4:精銑上下面,鑽鉸各坐標孔,其余各孔點窩;工序5:精銑兩斜面,鑽鉸各坐標孔,其余各孔點窩(用專用夾具)。
工序4在這裏不做論述,只介紹一下加工兩斜面及斜面上坐標孔的內容。

1)夾具安裝前,按規定位置,在工作台上鑽出裝夾工件的螺釘孔M16-6H共9個。
夾具安裝分三步:
①安裝前,須將各接觸面清洗幹淨。
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;然後用螺杆拉緊;其次,將分度頭輕輕推進夾具的中間莫氏4號孔內,在用螺杆拉緊;最後,用卡盤扳子將連接杆輕輕夾緊,再用扳子將分度頭緊固在龍門銑工作台上。
此時夾具和分度頭安裝完畢,其狀態如圖7所示。

找正工作台平面,用分度頭調整左右角度,將分度頭盤左側螺釘松開,將定位銷插在分度盤內,旋轉時,只需旋轉插上定位銷的分度盤即可,待用百分表找平後,再將左側螺釘緊固。根據圖樣要求,分度盤最好選54孔爲好,每孔=10′。22°時,當手柄旋轉2圈後等于18°,剩4°,再轉24孔即可;19.5°時,再轉9孔即可。
該夾具是一面兩銷定位。首先,要在工作台上鑽出定位孔,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中心位置,即檢測連接軸(φ38±0.01)mm外圓,當中心確定後,機床主軸向左側移動(142.4±0.02)mm,向右側移動(150.1±0.02)mm,兩孔在X方向距離(210±0.02)mm,與工作台側面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,根據被加工件底面形狀,在6個φ60mm通孔處,鑽出夾緊螺杆6處,均采用M16即可。在右側3個M16螺紋孔處同時鑽出3個M16螺釘孔,安裝3個支撐墊,用M16螺杆即可,在螺栓上下端把上M16螺母,底螺母緊固螺杆,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)安裝銷子後,以銷孔定位,將工件安裝在工作台上,用螺釘和壓板將工件夾緊。
(3)按圖8所示要求,用分度頭左右旋轉夾具角度-19.5°、22°。
角度確定後,須在該夾具兩側安裝左右定位柱,以穩定夾具,並在機床工作台上自找合適位置,將該夾具壓緊,這裏就不詳細說明了(見圖9)。

六、加工過程
首先,將圖示尺寸按坐標尺寸轉換,在數控龍門機床上X、Y和Z方向的編程如下:
X方向。設銷孔爲零點,用探針檢查,左移42mm,右移429-42=387(mm)。
Y方向。設夾具旋轉中心爲零點,用探針檢查,當左旋-19.5°時,Y=169.4mm,當右旋22o時,Y=190.1mm。該工序不能一次完成,需按最終尺寸反複加工幾次。
Z方向。設工作台平面爲零點。①當左旋-19.5°時,Z1=230.9mm,Z2=250.9mm,Z3=270.9mm,Z4=460.9mm,Z5=480.9mm。②當右旋22°時,Z1=215.3mm,Z2=235.3mm,Z3=260mm,Z4=445.3mm,Z5=465.3mm。其中:Z2、Z4爲銷孔,其余爲螺孔點窩。
關鍵加工部位是在Y方向加工左右兩側面時,首先用探針將旋轉中心零點確定,加工時,每面各留1~1.5mm用探針檢測其實際尺寸,按圖9所示尺寸移動Y方向坐標。然後,反複精加工各斜面成品。需要重點論述的是,兩斜面成品後,其相交點必須保證與夾具旋轉點距離爲(507.4±0.02)mm的尺寸,才能保證工件底面與兩斜面相交點(436.5±0.02)mm的尺寸精度。
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