基準按其作用不同,分為設計基準和工藝基準兩大類。按用途不同,工藝基準又分為定位基準、測量基準和裝配基準。定位基準指加工時使工件在機床或夾具中占據(jù)一正確位置所用的基準,若無特別說明,文中的定位基準均指輪廓要素。定位基準又可分為粗加工基準和精加工基準.加工中心具有工序集中等優(yōu)勢,客觀上要求所選定位基準應盡量滿足 “一次裝夾,全部 ( 或大部分)加工”,所以加工前很有必要去認真篩選定位基準,以發(fā)揮加工中心的優(yōu)勢,減少裝夾次數(shù),提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本。
下面結(jié)合一些典型零件,初步分析在加工中心上如何確定其定位基準。
1、典型件定位基準的確定
1. 1 長方體件
如圖 1 所示的某模具型芯,有 3 個面需要加工( 底面、左側(cè)面和上表面) ,其下料尺寸為 281 mm ×261 mm × 331 mm ( 鋸切下料,單邊各留約 0. 5 mm 余量,各表面粗糙度基本一致) 。該形狀適合用三平面定位方式,那么,選哪些面作定位基準? 哪個面作主基準呢?
首先分析一下加工工藝,可以分為三大步:
(1) 熱處理前的粗加工及局部精加工,在三軸立式加工中心上需裝夾 3 次 ( 選四軸臥式加工中心的話,可一次裝夾完成全部加工; 只是底面在深孔加工時冷卻效果不及在立式加工中心上的好) ;
(2) 熱處理;
(3) 精加工包括左側(cè)面和上表面在內(nèi)的 6 個面,其中大平面的精加工可以安排在磨床上,局部狹窄凹槽等難銑削區(qū)域宜電火花加工,其余仍在加工中心上進行精加工。
選擇粗基準時,重點考慮如何保證各個加工面都能分配到合理的加工余量,保證加工面與不加工面的位置尺寸和位置精度,同時還要為后續(xù)工序提供可靠精基準。
選擇平面作基準一般應考慮:
(1) 自身定位能力強弱,主要包括: 面域大小、平整程度、粗糙度、裝夾難度、穩(wěn)定程度 ( 不易變形、持久性) 等; 面積越大、粗糙度越低、裝夾越方便的平面優(yōu)先考慮。
(2) 相關定位能力強弱,主要是指對尺寸公差關系的影響程度和對基準原則的體現(xiàn)程度。盡量使定位基準與設計基準、測量基準和編程原點統(tǒng)一起來。在綜合考慮上述因素的基礎上,確定 3 個基準面的主次關系時,還應盡量避免主要定位基準與待加工面同方位,將其安排在待加工面的對面能有效抵抗切削力,也有利于精簡夾具結(jié)構(gòu)。選擇第二定位基準應考慮其導向作用,與主定位基準的垂直度、粗糙度,以及同待加工面的位置關系。
加工上述模具型芯的 3 步中,每一步都存在著確定基準的問題,而且這么多工序,勢必要統(tǒng)一基準。由于主要形狀都在上表面,故與其對應的底面宜作主基準。另外,構(gòu)成點 F 的兩個側(cè)面的面域較大,支撐效果好; 但再看設計尺寸的標注情況,在構(gòu)成點 O的 3 個面上尺寸標注多,可視點 O 為設計基準,同時其面域用來支撐也是可以的,故從基準重合的角度,選構(gòu)成點 O 的 3 個面作熱處理前的定位基準。通常一套模具設計圖上只有一個中心,各零部件的尺寸由此鋪開。加工某具體零部件的時候,在該件具體的點、線、面上確立基準,依據(jù)尺寸關系,建立坐標系。如果 3 個面相互不很垂直 ( 一般情況下,毛坯都達不到這個要求) ,則可以在加工底面 ( 通常先加工底面) 的時候,以底面為主基準,在另外兩個側(cè)面上,根據(jù)需要,分別銑出一定長度的基準帶供后續(xù)加工用,保證基準統(tǒng)一,如圖 2 所示。
上述定位基準用在熱處理之前的加工過程中。熱處理之后,必須檢測該基準自身的變形程度,以及形狀面相對于基準的變形; 有時候會出現(xiàn)由于變形大而不能再作為基準使用的情況。因此,在熱處理之前,應考慮并預留更可靠的精加工定位基準。選擇精基準時,重點考慮的是如何減少工件的定位誤差,保證零件的加工精度,同時也要考慮零件裝卸方便,夾具結(jié)構(gòu)簡單。
一般應遵循以下原則: 基準重合、基準統(tǒng)一、自為基準、互為基準及裝夾方便等。此例中,8 mm 孔經(jīng)過鉸刀精加工,表面質(zhì)量好,因熱處理而引起的變形也較小,可以作為精加工基準用。這就是隨后要說到的一種比較典型的方法 ——利用孔或軸的輪廓 ( 中心線) 作定位基準。以上說的是以模具型芯為代表的單件生產(chǎn)。長方體件在批量生產(chǎn)的時候,通常要利用夾具把 3 個基準面的位置固定下來,以提高效率。這樣的例子很常見,文中不再贅述。
但如圖 3 所示的長方體工件的基準確定,稍微有些特殊。該件形狀并不復雜,突出特點是尺寸公差要求很小 ( ± 0. 01 mm) 。屬來料加工,其下料尺寸為 76 mm × 45 mm × 51 mm,為了減少裝夾次數(shù),生產(chǎn)中將長度方向的定位塊采用了活動量塊,裝夾 ( 如圖 4 所示) 時定位,裝夾好后移走,這樣在一次裝夾下加工完兩端面和頂面,實現(xiàn)了工序集中最大化,減少了裝夾次數(shù),充分發(fā)揮了加工中心的優(yōu)勢,也保證了 ( 75 ± 0. 01) mm 等尺寸要求。由于加工過程中長度方向上不存在定位,所以屬于不完全定位; 不過實際加工效果還好,幾乎很少有攢動。關于該件的加工,隨后將專門介紹。
1. 2 回轉(zhuǎn)體件
回轉(zhuǎn)體件的定位基準通常選擇其內(nèi) ( 外) 表面。基本方法是: 利用百分表的針頭 ( 或光電感應器的觸頭等) ,沿十字形測出 4 個點的中心即為中心線位置,詳見圖 5。具體測量時,應先在孔的正上方 2 —— 3mm 處旋轉(zhuǎn)表針,使針頭大致在被測孔徑外側(cè) ( 軸的話,應偏向內(nèi)側(cè)) ,然后輕壓表針使之進入孔內(nèi),首先找出某一方向上對稱兩點 (如點A和C 或與 AC 線平行的某一位置上的兩點) 的對稱中心,在此中心線 ( CD 線) 上再找點 C 與 D 的等分點O ( 期間需要調(diào)整針頭位置) ,找出之后再旋轉(zhuǎn)一周,查看表針跳動情況,以檢查剛才確定的AC 線是否經(jīng)過點O,從而最終找出圓心O 的機床坐標 ( 旋轉(zhuǎn)一周,表針靜止不動或輕微震顫) 。
在確定過程中應注意,表針靜止不動有 3 種可能:
(1) 未接觸內(nèi)表面;
(2) 與內(nèi)表面之間的壓力太大而不能跳動;
(3) 主軸在圓心位置。
由于最終記錄的是圓心位置,視軸線為定位基準也未嘗不可。關文獻研究證明二者無實質(zhì)差別。
Z方向的基準可優(yōu)先考慮上表面。至于哪一個為主基準,應結(jié)合加工余量和表面粗糙度確定。通常,以回轉(zhuǎn)體為主要特征的零件,內(nèi) ( 外) 表面的定位作用更重要一些,因為它往往會是設計基準,尺寸公差關系多,限制工件自由度數(shù)目多。
由于杠桿百分表與工件接觸的頂端直徑為 3 mm,所以只要孔徑大于 6 mm,就可以使用; 小于 6 mm時,可以考慮插入心軸,測外徑。在通過 CAPP 系統(tǒng)選擇定位基準的時候,為了確保正確決策和加工精度,這些影響因素也應被考慮。同理,用鍵槽作定位基準的時候,由于量塊可以塞進去,所以理論上,寬度 1 mm 以上的鍵槽都是可能的定位基準,在利用CAPP 系統(tǒng)選擇定位基準的時候,亦不應被忽略。
1. 3 異形件
若工件上缺少可作為定位基準的恰當表面,就有必要人為地制造一些基準面,使其在加工中起定位作用,這類基準稱為輔助基準。
圖 6 為某產(chǎn)品示意圖,批量生產(chǎn),除了 “成型面”部分之外,其余 5 個面均為配合面,都需要精加工,精度要求高,同時成型面上無法裝夾。那么該怎樣裝夾、定位好呢?
仔細觀察產(chǎn)品圖可以發(fā)現(xiàn),由 R1、R2、R3所形成的圓弧面以及構(gòu)成尺寸 70 mm 的上下面都是潛在的定位基準選項。經(jīng)過分析,最終確定了 R1、R3和上平面分別為不同工序的定位基準,但僅此還不能保證各工序的準確定位和裝夾.
在不妨礙使用的前提下,在原產(chǎn)品圖上增加工藝孔: 在頂面增加 M8 螺紋,在背面增加 3 × M8 ( 口部10H7 深 8 mm 作定位用) ,故修改產(chǎn)品圖如圖 7 所示。在此基礎上,進而設計出如圖 8 所示的鑄造毛坯圖,在鑄件上又增加輔助定位基準面 A、B 和 C ( 這3 個基準屬于增材,使用后都去掉) 。
如前所述,這些基準分別在不同工序中使用,基準統(tǒng)一原則該如何保證呢? 解決辦法是: 利用加工中心加工精度高且工序集中的優(yōu)勢,盡量在一次裝夾中把所有可以加工的定位基準都加工出來; 確實暫不能加工的,則為其加工輔助定位基準。從實際加工結(jié)果看,這些定位基準有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量。
這些輔助基準在加工后失去作用,屬于增材的話,事后通常會被去掉; 減材類 ( 如工藝孔) 一般不影響產(chǎn)品使用,則保留。