高精度錐孔的數(shù)控加工及檢測策略研究

郭德橋

(四川工程職業(yè)技術學院，四川 德陽 618000)

0 引言

錐孔在機械零件中比較常見，一般是在數(shù)控車床上進行加工，精度要求高的錐孔需要用合適的錐度鉸刀或在磨床上精加工完成。扭矩板是燃汽輪機上一個重要零件，形狀較復雜，如圖1 所示。材料為12Cr12，是難加工的不銹鋼材料。加工的關鍵是與偏心錐銷配合的高精度錐孔，如圖2 所示。錐孔的錐度為1:12，錐孔的大端尺寸為φ30 ±0.01mm，尺寸精度達IT6 級，表面粗糙度要求Ra1.6μm，由于零件精度要求高，且孔口尺寸無法直接檢測，加工難度較大。因此，在批量生產(chǎn)前應對錐孔的加工和檢測方案進行研究，以便提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量［1］。

1 錐孔數(shù)控加工方案設計

由于扭矩板前、后面是兩個同心不同半徑的弧形面，左右側(cè)面都是向心面，其延長線通過前后弧形面的中心，零件形狀不便于在車床上用四爪卡盤裝夾。另外，由于錐孔孔徑較大，大端尺寸為φ30mm，也不適合用錐度鉸刀精加工完成。所以對于這類異形件上的大錐孔應優(yōu)先選用數(shù)控加工中心進行加工。其工藝路線是先用鉆頭預鉆出底孔，孔徑小于錐孔小端直徑，再用圓鼻刀粗銑錐孔，最后用有刀尖圓弧的整體硬質(zhì)合金立銑刀精銑完成。數(shù)控編程時如果用CAD/CAM 軟件需要先用CAD 進行實體建模，再用CAM 完成程序，且使用圓鼻刀和立銑刀加工錐孔時需要生成不同的程序，影響生產(chǎn)效率［2］。所以應該優(yōu)先利用宏程序進行手工編程，在使用不同類型的刀具加工時只需修改一下刀具圓弧半徑變量值就可以進行加工了，既簡化了編程，也提高了效率。

1.1 數(shù)學模型的建立

銑錐孔常用的刀具有三種:圓鼻刀、立銑刀和球頭銑刀。其中平底立銑刀和球頭銑刀是圓鼻刀的兩個特例，刀具圓角半徑為0 時的圓鼻刀即為平底立銑刀，而刀具圓角半徑等于刀具直徑1/2 時的圓鼻刀即為球頭銑刀［3］。因此，以圓鼻刀銑削錐孔進行加工分析，具有最佳的實用性和通用性［4］。圓鼻刀銑削錐孔的示意圖如圖3 所示，銑削孔口處的局部示意圖如圖4 所示。

圖1 扭矩板零件圖

圖2 錐孔簡圖

圖3 圓鼻刀銑削錐孔示意圖

圖4 圓鼻刀銑削孔口處局部示意圖

錐孔的基本參數(shù):圓錐半角α(#10)或錐度C(1∶ #3)、錐孔大端直徑D(#1)、錐孔小端直徑d、錐孔深度H(#2)。圓鼻刀的基本參數(shù):刀具直徑d(#4)、刀具圓角半徑R(#5)，設Z 向下刀深度(#6)為自變量。根據(jù)錐度C=(D－d)/H，即1:#3 = (D－d )/H。通過三角函數(shù)計算各數(shù)據(jù)如下:

圓錐半角α(#10):

在三角形CAB 中:

銑削錐孔大端孔口處時，刀具端面中心P 點坐標:

刀具向下進給一個Z 向增量ΔZ(#16)后，X 坐標的變化值為:

切削到任意深度(#6)點時，P 點的坐標為:

1.2 宏程序編制

加工“扭矩板”錐孔時，編程原點G54 設置在錐孔大端中心，下刀點選擇在錐孔中心的右下角，為減小接刀痕的影響，每層均在+X 處采用1/4 圓弧切入進刀和1/4 圓弧切出退刀，以順銑方式(逆時針方向)單向走整圓，以等高方式逐層向下加工錐孔［5-6］。選用FANUC 0i 系統(tǒng)進行編程，宏程序如下:

2 錐孔檢測方案設計

2.1 專用錐度塞規(guī)的設計

扭矩板錐孔大端直徑φ30 ±0.01mm，為錐孔的錐面與上表面的交線構成的圓，無法直接檢測，只能在停機狀態(tài)采用間接方法來實現(xiàn)在線檢測。所以應根據(jù)錐孔錐度、大端直徑、錐孔深度等錐孔基本參數(shù)設計如圖5 所示的1:12 專用錐度塞規(guī)，直徑E 為塞規(guī)大端實測尺寸，在φ31.75 ±0.05mm 范圍內(nèi)，D 為塞規(guī)大端基準面B 到孔口上表面的距離。這樣就可將錐孔直徑的微量變化轉(zhuǎn)化為放大的軸向長度D 來檢測，從而間接控制孔口直徑［7］。

圖5 1:12 錐度塞規(guī)

2.2 檢測及加工參數(shù)調(diào)整

測量時，先將錐度塞規(guī)插入到工件錐孔內(nèi)，使兩者錐面完全貼合，然后用深度千分尺測量錐度塞規(guī)基準面B 到孔口上表面的距離D 值。由于錐孔錐度為1:12，在用圖5 所示的錐度塞規(guī)測量時，尺寸D =(E－30)* 12，若實測塞規(guī)大端制造時的尺寸E 為φ31.75mm，則D =(31.75－30)×12 =21mm，孔口直徑每減小0.01mm，測量尺寸D 值就會增大0.12mm。由于孔口大端直徑的上、下偏差為±0.01mm，所以，實測尺寸D 在21 ±0.12mm 范圍內(nèi)，錐孔大端尺寸即為合格。

根據(jù)這一規(guī)律，錐孔在半精加工和精加工時就不再用改變刀具半徑補償值的方法來控制孔口直徑，而是通過半精加工時增大坐標系中Z 值，以留出錐孔精加工的余量，半精加工后測量錐度塞規(guī)基準面B 到孔口上表面的距離D，D 值大了多少，坐標系中Z 值就相應減小多少做精加工，如圖6 所示，調(diào)整非常方便。最終使測量尺寸D 在21 ±0.12mm 范圍內(nèi)即保證了孔口大端直徑φ30 ±0.01mm。

圖6 加工參數(shù)調(diào)整圖

3 加工效果

零件試切時，選用兩臺不同的立式加工中心進行加工(數(shù)控系統(tǒng)均為FUNAC 0i-MB)。粗加工刀具用φ16 的圓鼻刀(刀片圓角半徑R4)，精加工用φ20硬質(zhì)合金圓角立銑刀(刀尖圓角半徑R0.5)，精銑時轉(zhuǎn)速為3000 轉(zhuǎn)/min，進給速度為800mm/min。雖然用的都是同一宏程序，切削參數(shù)也完全相同，但加工出的錐度卻有一定的差異。其中大連機床廠生產(chǎn)的VDL-850D 機床銑出的錐孔用著色法檢驗錐度完全合格，而自貢長征機床廠生產(chǎn)的KVC650 機床銑出的錐孔用錐度塞規(guī)檢驗時，明顯感覺錐孔與塞規(guī)之間有間隙。經(jīng)分析，這種誤差主要是由于機床伺服系統(tǒng)跟隨誤差較大所引起的［8］。在錐孔逐層向下銑削時，刀具中心軌跡的整圓直徑逐漸減小。為了減小伺服系統(tǒng)跟隨誤差對加工圓弧輪廓的影響，編程時可以根據(jù)錐度逐漸減小銑削整圓的進給速度。表達式為(1－Z 向下刀深度* 錐度* 0.1)* 進給速度，即F［1－［#6/#3］* 0.1］* #15，所以，錐孔宏程序中銑整圓的具體程序改為:G03 I－#12 F［1－［#6/#3］* 0.1］* #15。經(jīng)過進給速度的適當調(diào)整后，加工出的錐孔都完全符合零件技術要求。

為了比較錐孔宏程序與自動編程的加工效果，現(xiàn)選用CAD/CAM 功能強大的UG NX8.0 軟件，CAM中需設置的各項參數(shù)均與宏程序相同，試切時選用加工精度較高的VDL－850D 加工中心，結果兩種程序加工出的錐孔質(zhì)量基本相同，但宏程序節(jié)約了10%的走刀時間，而且在NC 文件占用機床內(nèi)存和程序傳輸時間上具有自動編程不可比擬的優(yōu)勢［9］。兩程序的精加工比較如表1 所示。

表1 兩種編程方法的加工比較

4 結束語

合理的應用宏程序可以達到一次編程多次利用的效果。在使用不同的銑孔刀具加工不同錐度、不同直徑的錐孔時，只需修改一下錐孔參數(shù)、刀具直徑、刀具圓弧半徑等變量值就可以進行加工了，大大節(jié)約了程序傳輸時間，提高了生產(chǎn)效率［10］。再根據(jù)錐孔基本參數(shù)設計合適的錐度塞規(guī)，檢測時可將錐孔直徑的微量變化轉(zhuǎn)化為放大的軸向長度D 來檢測，從而降低了檢測和加工調(diào)整的難度，有效解決了高精度錐孔的加工與檢測難題，為企業(yè)提高了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。

［1］楊順田，楊天雄，彭美武. 深孔鉆斷排屑機理與變切深加工數(shù)控宏程序研究［J］. 組合機床與自動化加工技術，2012(4):80－83.

［2］張運強，穆瑞. FANUC 數(shù)控系統(tǒng)宏程序編程方法、技巧與實例［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［3］楊靜云. 數(shù)控編程與加工［M］. 北京:高等教育出版社，2010.

［4］陳海舟. 數(shù)控銑削加工宏程序及應用實例［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［5］孫德茂. 數(shù)控機床銑削加工直接編程技術［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［6］倪紅兵，鄒克武. 數(shù)控銑削輪廓的切入和切出方法設計［J］. 機床與液壓，2009，37(5):207－209.

［7］褚守云. 小錐孔的精密加工與檢測策略研究［J］. 現(xiàn)代制造工程，2012(2):112－114.

［8］孫興偉，董蔚. 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)跟隨誤差對加工輪廓的影響［J］. 制造技術與機床，2010(6):76－78.

［9］馮志剛. 數(shù)控宏程序編程方法、技巧與實例［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［10］吳金會，劉越. 基于宏程序的方形體斜角面銑削加工應用研究［J］. 組合機床與自動化加工技術，2012(5):64－96.