摘要：本文从目前机械加工业中不少小型企业采用三轴加工中心代替多轴加工中心加工有一定要求的较复杂的零件这一现象出发，通过原理上的分析和加工实例的举证，论述了以三轴加工中心代替多轴加工中心加工一些较复杂的零件是可行的。并指出，如果把传统的相关技术与三轴加工中心的现代加工技术融合在一起，将会拓宽三轴加工中心的加工天地。并可获得由此带来丰厚的效益。
关键词：三轴加工中心；多轴加工中心；加工工艺流程；夹具；找正。
一、机械加工业的现况
加工中心的问世使机械加工业的发展迈进了一个新时代。对于有条件应用加工中心的使用者来说，所谓加工难，精度低，劳动强度大的话题已成过去，这是一个事实。然而目前由于加工中心的价格不菲，价低者几十万元，价高者上百万元，乃至更高，所以使一些企业在投资风险上不得不作慎重的考虑，或者使一些虽有购买欲而财力不足的企业却望而止步，这些也是事实。在这种背景下，不少的小型企业依然沿用这样一种传统思维──“以低代高”，即采用性能低端的设备代替性能高端的设备，来摆脱这种尴尬局面。常用方法是用三轴加工中心代替多轴加工中心。故三轴加工中心的应用探索成了一些小型机械加工企业的热点。
二、对以三轴加工中心代替多轴加工中心的可行性分析
本人对三轴加工中心代替多轴加工中心这一热点有所关注。其可行性，我们不妨从以下方面予以推敲分析：
1、从加工原理的角度看：多轴的加工中心具有对加工件进行复杂空间曲面的切削加工的功能，使绝大多数加工件在一次装夹加工中获得成形。而三轴加工中心只具有对工件的顶面进行切削加工的功能。若遇形状较复杂的加工件要在加工中获得成形，则要进行多次装夹加工。
2、从加工精度的角度看：多轴的加工中心在一次装夹的条件下完成整个加工过程，加工精度较容易获得。换句话说，在同一要求的条件下它较容易保证加工件的精度要求。三轴加工中心加工在形状较复杂的环境下，由于它要通过多次变换装夹才能完成对被加工件的加工，所以只要注意每次装夹的合理性（如：夹具的设计制造；加工基准的统一；加工件位置的准确测量，即俗称对刀等），被加工件的精度要求大多数还是很有可能保证的。
3、从劳动强度（加工的方便程度）的角度看：多轴加工中心具有可以一次装夹加工复杂工件成形等优点，三轴加工中心是无法代替的。但这些优点在许多加工场合中都不是决定因素。
从上述的分析可以知道：以三轴加工中心代替多轴加工中心的做法在很多加工的场合下是可行的。下面将要介绍的加工实例亦充分说明了这一点
三、以三轴加工中心代替多轴加工中心的实例：
1、被加工件的描述：
产品名称：旋转刀座，它广泛应用于采矿、开路、钻井采油等行业。该产品主要为旋转体结构，呈阶梯形，最大直径为Φ247mm，最小直径为Φ190.5mm，工件总长为181mm，前部为均匀分布的六个镶刀座用于安装刀块，镶刀面的法线与圆周切线呈一锐倾角，工件前部端面上分别均分布6个和3个直径为25mm的不同倾斜度的注水孔。下图（1）所示。
图1 旋转刀座
2、被加工件的加工工艺分析
①在加工环境不受限制（理想环境）状态下的加工工艺流程：
车削（外内圆表面成形）─多轴加工中心加工（加工余下所有尺寸）
②在实际加工环境状态下的加工工艺流程：
1）实际加工环境及相应工艺的考虑
能使用的加工设备有：车床、三轴加工中心、摇臂钻。由于没有加工该工件的主要设备─多轴加工中心，只能采用三轴加工中心来代替。这很自然使工件前部均分布的六个镶刀座的加工成形成为一个尤为突出的加工难点。如果在三轴加工中心上，采用常规的立式装夹方法进行加工，镶刀面呈锐倾角、三轴加工中心刚性较差、加工深度受限制等因素都会使加工成形质量和加工效率受到较大的影响，甚至无法成形。这些可以通过在三轴加工中心上采取立式装夹与卧式装夹分别先后使用的方式得到解决。
设备的代替，工艺方式的弥补。使工件的 成形加工成为可行，而工件的精度还可以通过将要介绍的夹具合理设计和准确找正加工位置来保证。
2）工艺流程：
车削（外内圆表面成形如图（2）所示）─铣削（加工基准面）─加工中心加工（立式装夹铣削六个镶刀座上半部、预加工定位小锥孔）─加工中心（卧式装夹铣削六个镶刀座下半部）─钻孔（采用摇臂钻加工9个注水孔）─攻丝（钳工加工9个螺孔）。
图2 外圆表面车削成形
本实例采用了在实际环境下加工的工艺流程。
3、夹具的设计
①对工件加工因素的分析
1）工件的特点，其最大直径Φ247mm，长度181mm，尺寸较大，该工件呈梯级形，虽有较大的内孔，其重量应较重；从其用途判断：其尺寸的精度要求不高，但工件的同心度、对称度应有一定的保证。
2）工艺因素：根据上述可知，本加工工艺采用立式装夹、卧式装夹和钻孔装夹等多次装夹的流程，加工基准面处理特别重要。
②加工基准面的确定
考虑到工件尺寸大、重量重，并且在加工过程中经历多次装夹，故所选择的基准面必须满足支承力大、可靠、多次装夹尽可能应用同一基准面等条件。具体的基准面确定如下：
1）加工中心立式装夹时：采用工件底部预先加工好的台阶位为加工基准面。
2）加工中心卧式装夹时：由于该工艺需要通过分度来保证工件六个镶刀座的对称性。故除了继续采用立式装夹时的基准面外，还需要在底部装上一个六边形，作为分度基准。如图（3）所示。
图3¬ 六边形分度
3）钻孔装夹时：如下图（4）、（5）所示。
图4 钻孔装夹 图5 钻孔基准示意图
③确定夹具的形式和精度的保证
1）加工中心立式装夹：采用标准夹具三爪卡盘以及一些通用夹码，如下图（6）所示。
图6 加工中心立式装夹
用标准垫块支承“台肩”确定工件高度并利用三爪卡盘夹紧工件第一级外圆，再用夹码把卡盘完全紧固在加工中心的工作台上。
2）加工中心卧式装夹：由于工件较大、较重且用卧式装夹，又需分度，难以采用现成的通用夹具，所以该夹具需有针对性地自行设计制造。该夹具的主体由足够刚性的底板和立板组合而成，在立板上设计一个圆孔与基准圆柱面相配，作为径向定位。在孔的一端设计一个止推端面，既作工件的轴向定位，又作为平行夹起到提供反力的作用。在底板相应的位置上设计一个可作微调高低的径向定位辅件。为了消除圆孔与基准圆柱之间存在的间隙而影响定位精度这一缺陷，在圆孔上方设计了定位锁紧螺钉。另外为了满足分度的要求，专门设计一个正六边形的靠模紧固在工件的一端，作为工件转位加工时的分度定位。正六边形靠模的精度应满足工件的分度精度，如图（7）、（8）、（9）所示。
图7¬ 加工中心卧式装夹夹具 图8 加工中心卧式装夹夹具
图9 加工中心卧式装夹
值得指出的一点，立板与底板的垂直度要具有相应的精度不容忽视。
3）钻孔装夹：由于工件对斜孔的要求不高，工件上已有前工序预加工的定位小锥孔。并且工件9个斜孔分别均分布于前部的端面上。故该夹具的设计重点是提供钻斜孔的加工倾角以及确定合理的定位方式。该夹具具体由一个能提供钻斜孔工件轴向、径向定位的斜面底座，以及一些通用夹码组成。如下图（10）所示，在底座斜面相应的位置上划出钻孔的分度基准线。
图10 钻孔装夹
4、加工操作
数控编程应根据相应工序的特点，合理确定粗、精铣以及合理选择相应的切削用量和刀路。而本实例的操作重点是在每个工序中如何合理使用相应的夹具和如何合理使用测量技术进行加工前的找正，这是保证工件精度等的先决条件，下面重点介绍一下加工中心切削加工和钻孔加工前等等装夹工作。
①立式装夹：
1）把工件放在夹具的定位位置上，使三爪卡盘处于“虚夹”的状态；
2）用百分表测量工件顶部，工作台按需要X、Y向移动，从而完成找正工作。如图（6）所示。
3）找正结束后，使三爪卡盘完全紧固工件；
4）测量、找正工件分度基准面；
5）用夹码紧固好三爪卡盘；
6）通过对刀测量Z的坐标值，并输入（数控系统）；
7）用分中棒确定X、Y坐标值，并输入（数控系统）；
8）开始进入切削程序。
②卧式装夹：
1）把工件放在夹具的定位位置上；
2）测量工件的轴心线与工作台面的平行度，可通过微调定位辅件达到找正；
3）测量工件分度基面与分度靠模中的相应基准面，使其获得找正。之后紧固定位螺钉，并紧固平行夹，是工件紧固在夹具之中；
4）从上工序已铣的相应的镶刀面为基准，使其与X向平行得到找正；
5）用夹码紧固夹具底板；
6）分别确定Z、X、Y的坐标值并输入（数控系统）；
7）开始进入铣削程序；
8）其他相应的镶刀面铣削加工前的装夹工作重复①─⑦，直至加工完毕。
③钻孔装夹
1）周边上6个注水孔（斜孔角度为23°）加工：
a．在工件的相应圆周面上通过分度头分别划出6孔相应的标记线；
b．把夹具紧固在摇臂钻的工作台上；
c．把工件放在夹具的定位位置上，并使标记线对准夹具中已有的相应基准线；
d．使工件紧固在夹具上；
e．使摇臂钻钻头找正定位小锥孔，紧固摇臂钻；
f．开始进行钻孔加工；
g．其他孔的加工前装夹工作：重复c─d，直至加工完毕。注意，已确定的钻头位置不用调整，只作工件转位。
2）心部上的3个注水孔加工（斜孔角度为13°）
操作与上述6孔加工基本相同
本实例整个加工过程是按照上述介绍的加工工艺和采用上述介绍的设备、夹具以及操作方法对工件进行加工，使被加工件满足规定的技术要求而成为产品，并得到客户的认可。
四、小结
本加工实例是一个以三轴加工中心代替多轴加工中心的成功例子，其中的思路和解决方法对探索三轴加工中心的加工可以起到一定的借鉴作用。本加工例子虽然是一个个案。但它却告诉了我们这样一个事实。对于一些较复杂的零件的加工，多轴加工中心并非是唯一的出路，只要我们采用合理和有针对性的工艺，三轴加工中心是有能力解决的。
另外通过上述对实例的介绍和剖析，我们从中可以知道，三轴加工中心的加工能力是可以通过传统的加工技术来提升的。只要我们在检测技术和工装设计等方面狠下功夫，并能善用之，三轴加工中心的加工天地将会更加广阔，并且可以获得由此带来的丰厚效益。
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[3] 燕芸，张满栋.硬齿面齿轮加工技术现状分析[J].机械管理开发.2009（04）
论文作者:邓宇辉1,邓宇斌2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第30期
论文发表时间:2018/11/15
标签：工件论文; 加工论文; 加工中心论文; 夹具论文; 分度论文; 钻孔论文; 精度论文; 《基层建设》2018年第30期论文;