图1  DIXI 200有2个工作台，工件加工仓和工件装卸仓

随着汽车市场的竞争日益激烈，产品的更新换代不断加快，导入新产品已成为汽车企业满足市场需求的制胜手段。频繁的更新产品导致产品研发费用占企业成本的比例越来越大，降低研发成本提高研发速度成为企业提高市场竞争力的必要手段。

变速器壳体是汽车零部件中最复杂的零件之一，其形状不规则，加工内容较多，精度要求较高，因此新产品试制过程难度较大、周期较长且投资较高。为了缩短新产品试制周期，降低新产品试制费用，在试制过程中需要采用合理的工艺方案，来满足新产品试制要求。

下面结合我厂变速器壳体新产品的试制过程从设备、夹具、刀具及现场试切4个方面来浅析壳体类零件试制的低成本、高效率工艺方案。

图2  组合夹具

机加设备

机加设备是零件加工的基础，机加设备的分类方法很多，按设备操作方式可将设备分为数控设备、普通设备。变速器壳体试制过程往往采用加工中心，避免使用普通设备。普通设备工艺路线长，需要设备多，生产准备周期长，能源消耗大，加工质量不稳定；加工中心柔性高，可以缩短生产准备周期，提高加工精度和产品质量，同时改善了劳动条件。

加工中心按主轴的布置方式分为立式、卧式和立卧复合式三类。立式加工中心是三轴机床，主轴垂直于工作台面。这种机床仅能加工工件的顶面，主要适用于加工板类、盘类、模具及小型壳体类零件。复合式加工中心是带立、卧两个或者多个主轴的加工中心，能在一次装夹中对工件进行顶面、侧面等多个面的加工。此类设备价格昂贵，操作相对复杂，适于加工复杂空间曲面的叶轮转子、模具和刃具等工件。卧式加工中心是四轴机床，主轴平行于工作台面，工作台能360°任意角度旋转，可加工工件的各个侧面，主要适用于加工壳体类零件。

图3  加工变速器壳体使用的组合夹具

从壳体类零件加工精度及经济方面考虑应选用卧式加工中心。卧式加工中心一次装夹可完成工件各个侧面的加工，能有效保证加工精度。此外，卧式加工中心还具有工序集中的优点，加工内容较多，可降低设备、夹具和刀具投入数量，减少操作人员，能有效降低试制投入成本，提高生产效率。

图1所示设备为我厂专用于壳体类零件新产品试制的瑞士卧式加工中心DIXI 200。该机床具有2个可交换工作台，壳体类零件在1台设备上经2次装夹完成全部加工内容，实现了壳体试制加工的自动化、高精度、高质量和高效率。

图4  可转位式镶刀片式结构铣刀，可铣削开放或封闭的槽、面，完全满足多种铣削加工要求

夹具方面

夹具是装夹工件不可缺少的工艺装备。夹具的种类繁多，根据夹具在不同生产类型中的通用特性，夹具可分为通用夹具、专用夹具、组合夹具和模块夹具。产品试制为单件或小批量生产，要求夹具应具备制造周期短、可灵活调整、适用于复杂形状的工件、造价低和存放方便等特点，因此采用组合夹具最适合新产品试制。

如图2所示，组合夹具是由一套结构、尺寸已规格化、系列化和标准化的通用元件和合件组装而成的，每次试制时根据工件的加工要求并按一定的程序选取有关元件和合件进行组合拼装，从而获得所需夹具。

组合夹具的元件精度高、耐磨，并且实现了完全互换，用组合夹具加工的工件，位置精度可以达到IT7级，完全符合目前汽车零部件的试制要求。

图5  1把φ15mm的立铣刀用加工中心宏程序螺旋插补指令进行扩孔铣削

使用组合夹具可大量减少专用夹具的设计和制造工作，缩短生产准备周期，节约金属材料，降低成本，并减少存放夹具的库房面积。组合夹具用过后又可方便地拆开，供下次另行组装使用，简化了管理工作，适用于新产品试制和产品经常更换的单件、小批生产以及临时任务，完全适应现代工业产品的更新速度。图3所示为加工变速器壳体使用的组合夹具实例。

刀具方面

刀具是机械加工中最重要的工具之一。加工变速器壳体的刀具主要是铣刀、钻头、镗刀、铰刀和丝锥等。根据壳体类零件的试制情况，采用正确的加工刀具可以缩短生产准备周期，降低刀具投入成本。

图6  用1把45°倒角刀具，利用圆弧插补指令，可以完成所有孔的倒角加工

1.铣刀

铣刀的种类很多，壳体加工中常用的铣刀是端面铣刀。端面铣刀主要用来铣削壳体结合面、各孔端面及开槽。铣刀在结构上应采用可转位式镶刀片式结构，尽量避免使用整体式铣刀。因为铣削过程主要用的是铣刀的端刃，刀片磨损后可随时更换刀片，减小整体刀具报废造成的浪费。刀具齿数方面选择密齿刀，因为在铣削结合面时，壳体零件外壁薄，刚性不好，会产生振动，影响工件表面质量。密齿端面铣刀可以保证多个切削刀刃同时在工件上切削，冲击平稳，减小工件振动。为提高刀具使用范围，刀具外圆直径应该在φ20～30mm范围内，不必选用大直径铣刀。加工中心进行高速切削，刀片切削轨迹在加工面上重复不会产生接刀痕迹，大的结合面可用小外径铣刀多次走刀完成。

采用1把φ30mm的可转位式镶刀片式结构密齿铣刀（见图4），可以完成壳体类零件的端面和槽的加工要求，可减少刀具的订购数量，降低刀具使用成本。

2.钻头

在壳体中，钻头主要用来加工螺纹底孔或其他孔的预孔，是重要的孔加工刀具。通常情况下，各种孔产品都设计有孔口倒角，因此，试制阶段应尽量避免使用带倒角的复合阶梯钻头。阶梯钻的优点是利用阶梯钻头一次走刀，在工件上同时完成钻孔倒角；但阶梯钻造价高、制造周期长，各产品阶梯差要求不同，需要的种类繁多，因此不宜采用。在此，可只采用标准麻花钻及倒角刀具，分2次完成孔及倒角的加工。

图7  螺纹铣加工

3.镗刀

镗刀用来加工精度要求高的孔，能使加工件获得精确孔的位置尺寸、圆度、圆柱度和表面粗糙度。变速器壳体类零件的各轴承孔及定位销孔一般用镗刀加工。镗削工艺分粗镗、精镗两步，如果每个孔都按不同的孔径尺寸选择相对应的刀具，需要选用多把刀具，投资较大。因此，在镗削工艺上可以用铣刀替代镗刀，利用加工中心的宏程序插补指令编程，让铣刀完成所有轴承孔的粗加工。宏程序是在程序中使用变量，对变量进行赋值、数学计算及逻辑运算等而达到程序的功能。

如图5所示，1把φ15mm的立铣刀用加工中心宏程序螺旋插补指令进行扩孔铣削，刀具的走刀路径是螺旋型的圆周进给，加工件的孔径用程序中给定的螺旋半径控制。因此，用φ15mm的立铣刀可加工直径大于15mm的所有孔径的粗加工。此加工方法可以获得表面粗糙度Ra1.6mm、孔径尺寸公差IT8精度的粗加工孔。孔径大小是由程序决定的，而不是靠刀具外型尺寸决定，从而避免了多种孔径镗刀的选用数量，大大降低了生产成本。一把φ15mm的立铣刀替代了所有的粗精镗刀具，可完成各轴承孔的加工。但无论粗加工还是精加工，螺旋插补时螺旋升角均不能过大。

图8  各种螺纹铣刀

如图6所示，对于孔口倒角，除油封孔有特殊要求以外，一般孔口倒角多为45°。与加工轴承孔的方法类似，可以只用1把45°倒角刀具，利用圆弧插补指令，完成所有孔的倒角加工。倒角直径靠程序控制，而非刀具外型尺寸。

4.铰刀

铰刀是定尺寸加工刀具，使用方法简单，不需要调整，加工效率高。铰刀的直径和制造质量直接影响被加工孔的精度和表面粗糙度，铰刀的校准部分有修光及挤压的作用，在铰孔后还存在着孔的收缩。孔的收缩情况与工件材料、余量大小、切削用量、工件壁厚、铰刀几何参数以及温度等很多因素有关，因此，铰刀的尺寸必须根据加工的具体情况决定。所以，铰刀适合于大批量生产中使用，在产品调试阶段应避免使用。

5.螺纹刀具

螺纹的作用是保证零件与零件之间的紧固连接。螺纹加工是一个基本的金属加工过程，是变速器壳体中重要的加工内容。对于螺纹加工有两种方法：攻螺纹和螺纹铣（见图7）。攻螺纹的操作方法简单，可在任意机床上或手动完成。攻螺纹的精度靠刀具精度保证，是目前加工螺纹的主流方法。螺纹铣靠数控机床的螺纹插补功能实现螺纹加工，螺纹的公称直径及公差变化通过CNC程序的改变控制实施。因此使用一把螺纹铣刀（见图8），可以加工具有相同螺距的任意螺纹直径，从而免去了大量不同丝锥的采购。螺纹铣刀的头部是平面，特别适合攻螺纹盲孔，同时螺纹铣刀外径小于被加工孔径，刀具破损的部分可以很容易地从螺纹孔内去除。

采用螺纹铣刀进行产品试制，可以降低刀具成本，降低加工调试难度，缩短新订货刀具的试制准备周期。

图9  灵活的模块化刀具系统，可以随意组合加工中所需要的刀具

6. 模块化刀具

加工中心刀具在结构上分整体式和模块式。整体刀具长度不可调整，不适于频繁的新产品试制，主要用在批量产品的生产上。模块式刀具（见图9）将刀分为主柄、加长杆、刀头和刀片等部分，在生产中可根据具体的加工要求用模块方式进行自由组合，使刀具有更充分的柔性，从而减少了主柄的数量，同时各部分能自由组合，能迅速对应各种加工要求。

现场试切

现场试切是零件试制的最后阶段，也是对前期工艺准备的一个检验过程。试切过程中，合理的加工手段能有效地降低试制成本，提高效率。

新产品试制阶段变速器壳体毛坯不能进行量产，一般采用砂型铸造或快速成形法获得毛坯。砂型铸造毛坯成本低，生产工艺简单且周期短，可以不用考虑调试产生废品造成的浪费。但砂型铸造需要前期的模具制造，成本较高、周期长。如果采用快速成形法获得毛坯，优点是不用开模具，生产周期短，零件外形位置精度高，可达到IT9级。但快速成形法制造毛坯成本较高，单套壳体价格在万元以上。如果采用快速成形法，试制时就要考虑试切的准确率，所以要尽量用合理的加工方法提高毛坯试切质量，降低废品的产生以减小损失。

首先，要先编制加工程序，空运行程序，消除干涉情况。其次，工件在装夹到夹具中时要使用杠杆表对工件安装位置进行校准，将各个参考点与定位基准的误差消除，从而保证零件与夹具的位置准确，消除误差。

零件装夹完毕后要进行试切，在铣平面时不能一次加工到工件要求的尺寸，而是进行小切削深度加工，以保证下一次调试时还有足够的余量；在钻孔时用1把φ5mm的细钻头代替所有孔系刀具，全部加工完成后将工件取下用三坐标测量机检测各孔系的位置尺寸，将需要调整的补偿值输入程序中，进行二次试切。二次试切可选用稍大的钻头，循环上一次的工作内容，直到调试完成。在镗孔时，把刀具直径尺寸调整到比实际要求尺寸小1mm，试切检测后再逐步调整，以达到合格尺寸。按照此方法，一般情况1个毛坯就可以完成复杂壳体的全尺寸调整，减少毛坯的浪费。

结语

壳体类新产品在初次试制时投入较大，准备周期较长。如果采用卧式加工中心和组合夹具，运用宏程序，使用通用刀具，现场试切采用合理的工艺方案，在二次试制类似相关产品时，可降低80%的投入资金，生产准备时间可缩短70%。