工件前期设计不足后续制造如何弥补

随着汽车工业及其制造业的高速发展，集约化模式如雨后春笋般涌现出来，处于产业链上端的企业往往只做方案或者结构设计，具体的制造则由不同的专业企业来完成。由于设计与制造脱节，一部分设计人员对制造工艺不太熟悉，导致很多看似设计完美的零部件，到了制造商那里却没法做出来。经常遇到这样的情况：工件上没有能作为定位基面用的恰当的表面，这时就有必要在工件上专门加工出定位基面，这种基面称为辅助基面。辅助基准是指基于原设计不足而提供的、有效解决制造过程基准不足或基准不合理的工艺性措施，它弥补了前期设计不足对后续制造的影响。本文以支架类零件加工为例，结合多年汽车零部件机加工工艺设计经验，介绍辅助基准在机械加工过程中的选择及使用。01工件结构及原工艺流程存在的问题图1所示为某汽车公司的一种汽车发动机支架（代号B11-1001811，为后悬置支架），其结构尺寸如图2所示。支架材质为QT450-10，金属型铸造，铸造后进行人工时效处理（升温570～590℃，保温4h，以30℃/h降至250℃出炉空冷）、抛丸及表面涂装处理，进入机械加工程序。图1后悬置支架三维实体模型图2后悬置支架结构尺寸由图1、图2可以看出，这个产品结构比较简单，总共有4个孔、8个面需要加工，图2中的M平面及平面上的φ12.5mm孔是设计和测量基准，因此，其工艺基准最好也保持在M平面及2个φ12.5mm孔（M平面孔是第一基准孔）。根据这一思路，最初的机加工流程如表1所示。表1飞轮壳机加工工艺流程就单纯的工序尺寸而言，OP10工序加工本身没什么问题，包括两个搭子平面（M面、N面）的高度差及厚度尺寸，这些都可以保证，但如果把M面（φ28mm）作为后续工序的基准平面，显然不够大，虽然工件不是太大，但是如果用这个平面作为基准去完成其他要素的加工，是有难度的。另一个搭子平面N（φ28mm面），与M面有一个高度差，这个高度差在批量加工过程中会有较大的波动，相对设计基准M平面，N平面只能作为一个辅助平面来用，把它作为基准平面是有风险的，即便是这样，相对工件而言，两个φ28mm平面（M面、N面）在工件同一侧，在定位过程中也只能相当于基准平面的两个定位点，不足以形成稳定的、可靠的定位平面，还必须再增设一个辅助定位点（或面）。原设计人员可能考虑到了这些因素对后续加工流程的影响。在OP20工序里，为确保孔之间的相对位置，搭子孔2×φ12.5mm及开档孔2×φ11mm是在一次性装夹后加工完成的。在OP40工序里，以2个φ12.5mm孔为基准孔，再加上M面、N面及另外一个辅助支撑面（或点）来定位，工件装夹后进行开档面的一次性铣削加工。试加工结果表明，在上述作业流程中，工序OP10、OP30的工序尺寸可以保证；工序OP20、OP40，由于基准定位面的不可靠性，导致其工序尺寸不稳定，没法进行正常的生产作业。就整个工艺流程来看，其方案是不科学的。根本原因有两点：其一，产品及结构设计人员在最初设计时，只考虑了整体结构是否合理，并没有考虑加工中基准面是否够用；其二，制造工艺工程师对基准及辅助基准的理解、选择应用存在不足，导致了工艺方案的失败。02问题分析图3（代号T11-1001611MA，前悬置支架）、图4（代号T11-1001811MA，后悬置支架）所示两种发动机支架与图1所示支架（B11-1001811）有相似之处：基准面小，基准面或两个搭子（在同一平面上），或一个搭子（两个搭子有高度差）。因为搭子平面小，对于一个理想状态下足够大的基准平面而言，每个搭子仅仅只能算基准面上的一个点，若两个搭子在同一平面上（见图3），作为基准平面而言，有两个点，少一个点，所以在工艺方案中必须有一个辅助平面；若两个搭子不在一个平面上（见图4），对于一个基准面而言，只有一个点，少两个点，工艺方案中需要补充两个辅助点（或面）才能巩固这个基准面。图3T11前悬置支架三维实体模型图4T11后悬置支架三维实体模型在实际作业中，不论是补充一个辅助面，还是补充两个辅助面，对整个后续工序的加工而言，由于辅助基准面的加工会有波动（如出现重复性误差、变形误差等），风险是不可避免的。在大量使用加工中心的今天，辅助基准风险可能小一点；对于通用设备加工而言，风险是不可想象的。或许这三种支架在功能性方面属于一般件，仅仅是一种普通支撑件，才导致设计者这样简单地设计。但作为制造商，必须保证每个要素合格，设计人员不考虑的问题，工艺人员必须考虑。03辅助基准的选择及使用因为设计基准面不足，所以才引进辅助基准面。在选择基面时，需要同时考虑3个问题：①用哪一个（组）表面作为加工时的精基准，才有利于经济合理地达到零件的加工精度要求？②为加工出上述精基准面，应采用哪一个（组）表面作为粗基准面？③是否有个别的工序为了特殊的加工要求，需要采用第二个（组）精基准面？选择基面时，有两个基本要求必须满足：①各加工表面有足够的加工余量（至少不应留下黑斑），使不加工表面的尺寸、位置符合图样要求，对一面要加工、一面不加工的壁，要有足够的厚度。②定位基面有足够大的接触面积和分布面积。接触面积大就能承受大的切削力；分布面积大可以使定位稳定可靠。必要时，可以在工件上增加工艺凸台或在夹具上增加辅助支撑。下面以图1所示支架（后悬置支架，图号B11-1001811）为例来介绍辅助基准在实际机械加工中的运用。由图1、图2可以看到，后悬置支架的两个搭子平面有一个（11.5±0.2）mm高度差，这个公差相对一个辅助基准肯定不合适，在工艺尺寸控制中会被缩小，关键是还得增加一个辅助基准面，这会增加制造难度，除非找不到更合适的替代基准。在分析完B11-1001811后悬置支架的结构后，工艺人员选中了图5中的A面，一个U形平面，并将A面确定为辅助加工基准及所有加工要素的唯一基准面，确定这一基准面后，设计了该支架的工艺流程（见表2）。图5B11-1001811后悬置支架在表2的流程图中，OP10工序借助支架的非加工面作为粗基准，完成了对A面（U形面）的最小切削量（见光即可）加工；OP20工序以A面为基准，完成对两台阶搭子平面的车削加工；OP30工序以A面为基准，钻、铰两搭子平面2×φ12.5mm孔；OP30之后的OP50～OP80工序都将以A面及2×φ12.5mm孔作为定位基准实施机加工作业，与汽配件传统的“一面两孔”作为基准略有不同，该方案中的孔不在基准面上，基准面仅仅与基准定位孔呈垂直关系。表2后悬置支架机加工工艺流程由于A面（U形面）属于辅助基准面，这个平面在图样中是不需要加工的，所以机加工结束及工件清洗后，需要对该面油漆复原。从试加工及后来的批量生产效果来看，表2所示工艺流程图对后悬置支架B11-1001811的机械加工相当有效，工序质量及整体尺寸要素的符合程度相当好，工效较高，满足了结构设计者对零件的要求。同样，根据辅助基准选择原则，工艺人员对图3、图4的辅助基准面进行了选择，如图６、图７所示，B、C灰色区域即为辅助基面所选位置。图6T11前悬置支架图7T11后悬置支架如果客户允许，确定铸件方案时，可以考虑在该区域增加小高度的铸造凸台，作为辅助基准面加工后，该区域将永久保留0.5～1.0mm高凸台在工件坯面上；否则该区域可以见光为准来确定其加工量。在增加辅助基准面后，上述两种T11支架的机械加工工艺方案就变得可行。04结语本文对汽车发动机支架类零件前期设计暴露的不足进行了详细的分析，针对设计基准面的不足，提出了增加辅助基面的具体工艺方案，很好地解决了后悬置支架（B11-1001811）因基面设计不足而对后续制造的影响，对于类似产品的加工有一定的借鉴作用。辅助基面的选择不是唯一的，但对一定工艺装备的产品而言，最合理的只有一种，