高精度孔距加工保障技術(shù)

林樹(shù)海，趙建華，李玉芬，陳正祥

(沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司，云南昆明650203)

滑枕是落地銑鏜床的關(guān)鍵零部件之一，滑枕端面上有4 個(gè)用來(lái)安裝功能附件(如垂直銑頭、萬(wàn)能銑頭、伸長(zhǎng)銑頭、增速銑頭、平旋盤等)的孔(見(jiàn)圖1)，這4 個(gè)孔中裝上夾緊機(jī)構(gòu)后可以實(shí)現(xiàn)各種功能附件的自動(dòng)更換，故能提高落地銑鏜床的加工效率和自動(dòng)化率。安裝孔的位置尺寸精度直接關(guān)系到多個(gè)功能附件在同一臺(tái)主機(jī)上自動(dòng)更換的可行性及功能附件的安裝精度，進(jìn)而關(guān)系到功能附件的加工精度，所以安裝孔的位置尺寸公差要求較高，相對(duì)于主軸中心在±0.015 mm 內(nèi)。大、重型落地銑鏜床的滑枕由于體積較大、質(zhì)量較大，不能在高精度的坐標(biāo)鏜床或臥式加工中心上加工，只能在大、重型刨臺(tái)式銑鏜床或落地式銑鏜床上加工，依靠機(jī)床自身定位精度及重復(fù)定位精度來(lái)保證安裝孔的位置尺寸精度，但大、重型機(jī)床的定位精度很難滿足這么高的位置尺寸精度，加工出來(lái)的零件經(jīng)常超差，有時(shí)會(huì)超差到0.05 mm。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)分析和試驗(yàn)，結(jié)合公司實(shí)際設(shè)備情況，設(shè)計(jì)出一種高精度孔距校正定位夾具，把該夾具應(yīng)用在大、重型落地銑鏜床上，解決了功能附件安裝孔位置尺寸精度要求較高的難題。

圖1 滑枕端面示意圖

1 安裝孔位置尺寸技術(shù)要求及加工方法

圖1 中，4－ φ90H6 mm 孔為滑枕前端面用來(lái)安裝功能附件的孔，相對(duì)于主軸孔φ460J4 mm 的位置尺寸公差為±0.015 mm。安裝孔的精鏜在落地鏜上進(jìn)行，在精鏜前，滑枕4 個(gè)大面須經(jīng)過(guò)磨削，保證4個(gè)面相互平行垂直公差在0.015 mm 內(nèi)，粗糙度為Ra1.6 μm，然后進(jìn)行孔系的精加工。在精鏜工序，先精鏜φ460J4 mm 主軸孔，再依次精鏜4－ φ90H6 mm 安裝孔［1］。

2 夾具的結(jié)構(gòu)和原理

根據(jù)安裝孔的技術(shù)要求和加工條件，不采用傳統(tǒng)的使用支撐鏜桿式鏜夾具的加工方式(此類鏜夾具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、成本較高)，而采用校正定位夾具的加工方式，因?yàn)樾Ｕㄎ粖A具結(jié)構(gòu)小巧，質(zhì)量輕，成本低，而且可在落地式銑鏜床或者刨臺(tái)式銑鏜床上很方便地使用。

2.1 夾具的結(jié)構(gòu)

校正定位夾具結(jié)構(gòu)如圖2所示，由定位板1、定位銷2、定位套3、緊固螺釘4、隔套5、吊掛螺釘6、安裝螺釘7 組成。定位板1 和定位套3 之間采用小過(guò)盈配合，并通過(guò)定位銷2 和緊固螺釘4 可靠地連接在一起;吊掛螺釘6 供加工、裝配、安裝夾具時(shí)吊掛使用。夾具通過(guò)定位凸臺(tái)外圓與滑枕主軸孔配合;通過(guò)校正夾具頂面與滑枕頂面平行的方式來(lái)調(diào)整夾具的角度;待加工安裝孔的位置通過(guò)校正夾具上的工藝孔來(lái)確定，4 個(gè)工藝校正孔比安裝孔稍大，以方便校正工藝孔后不用拆下夾具直接進(jìn)行安裝孔的加工。由于夾具相對(duì)滑枕來(lái)說(shuō)，質(zhì)量較輕、尺寸較小，可在高精度的坐標(biāo)鏜床上加工，從而可以得到較高的精度。為了降低夾具制造難度和提高夾具與滑枕主軸孔的定位精度，配合的定位凸臺(tái)采用分級(jí)尺寸，左右兩端設(shè)計(jì)為兩種公差的尺寸，可根據(jù)主軸孔實(shí)測(cè)尺寸來(lái)確定選用定位凸臺(tái)1 或者定位凸臺(tái)2，確保配合間隙在0.01 mm 內(nèi)，同時(shí)設(shè)計(jì)兩個(gè)定位基準(zhǔn)面，與定位凸臺(tái)配合使用(定位基準(zhǔn)面1 配合定位凸臺(tái)1，定位基準(zhǔn)面2配合定位凸臺(tái)2);夾具校正后，通過(guò)安裝螺釘7 把夾具固定到滑枕上。為了提高夾具使用壽命，校正孔用經(jīng)過(guò)熱處理的隔套5 以提高耐磨性，左右定位凸臺(tái)也經(jīng)過(guò)熱處理以提高耐磨性［2－6］。

圖2 夾具簡(jiǎn)圖

2.2 夾具的原理

定位:由定位基準(zhǔn)面、定位凸臺(tái)外圓柱面、夾具頂面定位，即定位基準(zhǔn)面限定3 個(gè)自由度(主軸孔軸線方向移動(dòng)、繞橫向軸轉(zhuǎn)動(dòng)、繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng))，定位凸臺(tái)外圓柱面限定2 個(gè)自由度(沿橫向移動(dòng)、沿垂直方向移動(dòng));第6 個(gè)自由度即圍繞主軸孔軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)由人工校正夾具頂面的方法來(lái)限定［4］。其中夾具頂面為一特殊定位面，它不直接定位，而是由人工校正的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。

該夾具的特點(diǎn)是“校正”:一是夾具圍繞主軸孔軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度由人工校正夾具頂面的方法來(lái)限定，這樣可以克服零件外形尺寸公差較大、不便做定位基準(zhǔn)的困難;二是機(jī)床主軸的加工位置(坐標(biāo))由人工校正夾具上的工藝孔來(lái)確定，這樣可以提高加工的定位精度［5］。采用“校正”的定位方法可使夾具結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，工藝性較好，又能夠降低制造難度和制造成本。

夾緊:夾具裝上并校正后，通過(guò)安裝螺釘7 把夾具緊固到滑枕端面上。

3 定位誤差分析

根據(jù)夾具使用要求:定位套與主軸孔的配合間隙控制在0.01 mm 內(nèi)，夾具頂面與滑枕頂面橫向平行校正在0.005 mm 內(nèi)，工藝孔與機(jī)床主軸中心同軸校正在0.005 mm 內(nèi)。

由以上已知條件，夾具定位誤差分析如下［7－8］:

(1)由定位套配合間隙產(chǎn)生的夾具徑向定位誤差為:δr·間隙=0.01/2 =0.005 mm(如圖3所示)。

圖3 夾具定位套定位誤差

由此產(chǎn)生的校正孔在水平方向的定位誤差δW·間隙和在垂直方向的定位誤差δH·間隙分別為:

δW·間隙=0.01/2 =0.005 mm δH·間隙=0.01/2 =0.005 mm(注:直徑上的間隙為0.01 mm)

(2)由夾具設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)生的校正孔在水平方向的定位誤差δW·設(shè)計(jì)和在垂直方向的定位誤差δH·設(shè)計(jì)分別為:

δW·設(shè)計(jì)=0.003 mmδH·設(shè)計(jì)=0.003 mm(注:夾具設(shè)計(jì)的位置公差為±0.003 mm)

(3)由校正夾具頂面與滑枕頂面橫向平行產(chǎn)生的角度定位誤差δα和線性位置誤差δL，如圖4所示。

圖4 校正夾具頂面時(shí)的誤差

角度定位誤差:δα= arctan(0.005/L)=arctan(0.005/600)≈4.77 ×10－4(注:L 為夾具寬度600 mm)

由此產(chǎn)生的水平方向的定位誤差δW·α和垂直方向的定位誤差δH·α(由作圖知:在夾具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)得到最大水平方向的定位誤差δW·α，在夾具逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)得到最大垂直方向的定位誤差δH·α)分別為:

δW·α=δL· cos(∠BO1O ″1)=δL·cos(90－δα－arctan(250/210))≈0.002 08 mm

δH·α=H－ OA = H－ R·cos(arctan(210/250)+δα)≈0.001 75 mm

(4)夾具安裝時(shí)定位套的間隙及夾具旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的工藝校正孔位置綜合誤差δW·安裝、δH·安裝如圖5所示(既有定位套的間隙誤差，又有角度誤差):

圖5 夾具安裝誤差分析圖

(5)夾具的安裝誤差和夾具設(shè)計(jì)制造共同產(chǎn)生的綜合誤差分別為:

δW·夾= δW·安裝+ δW·設(shè)計(jì)= 0.004 36 + 0.003 =0.007 36 mm

δH·夾= δH·安裝+ δH·設(shè)計(jì)= 0.005 578 5 + 0.003 =0.008 58 mm

(6)校正機(jī)床主軸中心與工藝孔同心產(chǎn)生的定位誤差為:

δr·校=0.005/2 =0.002 5 mm

因此:δW·校=0.002 5 mmδH·校=0.002 5 mm

(7)由夾具綜合誤差和工藝孔校正誤差共同產(chǎn)生的加工理論誤差δW·加、δH·加分別為:

δW·加= δW·夾+ δW·校= 0.007 36 + 0.002 5 =0.009 86≈0.01 mm

δH·加= δH·夾+ δH·校= 0.008 58 + 0.002 5 =0.011 06≈0.01 mm

由以上計(jì)算結(jié)果得出:夾具安裝誤差(δW·安裝，δH·安裝)和綜合定位誤差(δW·夾，δH·夾)及加工理論誤差(δW·加，δH·加)均小于設(shè)計(jì)要求允差±0.015 mm，該夾具能夠滿足設(shè)計(jì)及工藝要求。

以上各指示圖中，點(diǎn)O 為滑枕主軸孔理論中心，O'為夾具定位套實(shí)際定位中心，點(diǎn)O1為一個(gè)安裝孔的理論中心，點(diǎn)O1'及O1″為點(diǎn)O1對(duì)應(yīng)的工藝校正孔實(shí)際定位中心。

4 夾具的使用方法

先把滑枕校正、裝夾牢固在機(jī)床上，然后安裝夾具。安裝夾具時(shí)，先根據(jù)主軸孔的實(shí)測(cè)尺寸偏差，選取合適的定位凸臺(tái)和定位基準(zhǔn)面(如選擇定位凸臺(tái)1和定位基準(zhǔn)面1)，確保配合間隙在0.01 mm 內(nèi);將選取的定位凸臺(tái)1 裝入滑枕主軸孔，靠緊定位基準(zhǔn)面1，裝上安裝螺釘(輕壓)，用千分表校正夾具頂面與滑枕頂面橫向平行在0.005 mm 內(nèi)，然后上緊安裝螺釘，再?gòu)?fù)校夾具頂面與滑枕頂面橫向平行確保在0.005 mm 內(nèi)(如圖6所示)。夾具安裝好后，校正并加工安裝孔，方法是:用千分表校正機(jī)床主軸中心與夾具上的一個(gè)工藝校正孔同心在0.005 mm 內(nèi)(如圖7所示)，精鏜此工藝校正孔處的安裝孔至圖紙要求，然后再用同樣的方法校正及加工其余3 個(gè)安裝孔。

圖6 夾具安裝示意圖

圖7 工藝孔校正示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

孔距校正定位夾具先后應(yīng)用在公司落地式銑鏜床、刨臺(tái)式銑鏜床、龍門式鏜銑床滑枕前端面的功能附件安裝孔的加工上，實(shí)際使用結(jié)果證明:該夾具保證了安裝孔的高位置尺寸精度要求，提高了功能附件自動(dòng)更換的可靠性，保證了功能附件的加工精度，提高了機(jī)床的自動(dòng)化程度、加工效率和銷售附加值，為公司帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

對(duì)于類似孔距精度較高零件的孔加工，除了采用高精度機(jī)床加工外，可以通過(guò)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的工裝夾具在普通機(jī)床上加工，以降低加工成本和提高設(shè)備利用率。采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的方案有效地解決問(wèn)題也是工程技術(shù)人員一貫追求的目標(biāo)。

【1】黃天銘.機(jī)械制造工藝學(xué)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，1988.

【2】東北重型機(jī)械學(xué)院，洛陽(yáng)工學(xué)院，第一汽車制造廠職工大學(xué).機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.2 版.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1988.

【3】王伯平.互換性與測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

【4】王啟平.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1996.

【5】上海柴油機(jī)廠工藝設(shè)備研究所.金屬切削機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

【6】徐灝主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第1 卷)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

【7】鄭玉華，林躍.用定位誤差尺寸鏈解算定位誤差的方法［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，1998(4):36－37.

【8】李永祥.定位誤差的尺寸鏈解法探討［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005(7):37－38.