細(xì)長(zhǎng)錐孔零件精密加工工藝方法

陳 華，宋志坤，王寶瑞，陳金明

(中國(guó)工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng) 621900)

0 引言

錐型濾波小孔零件是神光-Ⅲ空間濾波器中重要的濾波功能元件［1-2］，實(shí)現(xiàn)對(duì)高能量強(qiáng)激光濾波，要求無(wú)堵孔產(chǎn)生，其加工質(zhì)量直接影響該工程中強(qiáng)激光濾波效果。錐型濾波小孔零件屬于精密細(xì)長(zhǎng)錐孔結(jié)構(gòu)零件，孔徑與孔深比達(dá)1:25，錐孔小端口徑小于φ2、錐角小于2°，要求錐面光潔度小于Ra0.2μm、錐孔與圓柱基準(zhǔn)同軸度小于φ0.005mm，且零件結(jié)構(gòu)難以裝夾定位，加工制造難度大。目前該光學(xué)工程項(xiàng)目中的錐型濾波小孔零件具有尺寸規(guī)格種類多、批量小的特點(diǎn)，因此，錐型濾波小孔的加工工藝還必須滿足小批量、多規(guī)格的高效加工需求。

本文根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及制造精度高的要求，基于“基準(zhǔn)重合”和“基準(zhǔn)統(tǒng)一”的原則［3-4］，采用了延伸零件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、統(tǒng)一設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與裝夾基準(zhǔn)和測(cè)量基準(zhǔn)的加工思路，減小制造過(guò)程中的累計(jì)誤差、同時(shí)便于裝夾加工和測(cè)量同軸度。采用慢走絲線切割加工內(nèi)錐孔的工藝方法，從加工工藝方案、工藝路線、裝夾方法和工藝參數(shù)進(jìn)行了全面分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了零件難以加工、制造精度要求高等技術(shù)難題，加工質(zhì)量和效率滿足神光-Ⅲ空間濾波器對(duì)該系列精密錐孔零件多規(guī)格、小批量、精度要求高的應(yīng)用需求。

1 零件結(jié)構(gòu)與加工工藝分析

空間濾波器中的錐型濾波小孔零件結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)錐孔尺寸d 與θ 的不同，該系列零件分為16 種規(guī)格、每種規(guī)格約50 件，零件材料為0Cr18Ni9。分析零件結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)精度要求，其加工難點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾方面:

(1)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)短:該系列零件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為φ15h5、長(zhǎng)3mm 的圓柱段，裝夾困難、定位精度差，以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)作為加工基準(zhǔn)，裝夾誤差較大，難以保證制造精度;設(shè)計(jì)基準(zhǔn)短還導(dǎo)致測(cè)量零件形位精度困難;

(2)精度要求高、內(nèi)錐孔加工難度大:錐型濾波小孔零件屬于典型細(xì)長(zhǎng)孔弱剛性結(jié)構(gòu)，錐孔小端口徑尺寸小于φ2mm、深50mm，其孔徑深比達(dá)1:25，難以采用普通切削方式加工錐孔;零件尺寸精度要求高，尤其是實(shí)現(xiàn)同軸度φ0.005mm 的要求難度大;

(3)錐孔表面光潔度要求高:細(xì)長(zhǎng)錐孔內(nèi)表面光潔度要求達(dá)Ra0.2μm，且要求無(wú)電腐蝕層;

(4)零件規(guī)格種類多、制造周期緊，要求制造工藝效率高，以滿足該重大光學(xué)工程項(xiàng)目的進(jìn)度需求。

圖1 錐型濾波小孔零件結(jié)構(gòu)示意圖

此外，零件材料0Cr18Ni9 偏軟，裝夾容易影響表面質(zhì)量和形位精度。綜上簡(jiǎn)要分析，細(xì)長(zhǎng)錐孔的加工工藝是實(shí)現(xiàn)該系列零件精密、高效制造的關(guān)鍵。

在機(jī)械加工實(shí)際中，加工細(xì)長(zhǎng)孔類零件，通常采用鉆孔、研磨的工藝路線［2，5-6］，按錐孔小孔端尺寸選擇鉆頭，在小孔端鉆基準(zhǔn)孔;按鉸孔錐角在量具刃具廠定制錐角鉸刀(每種錐孔需定制相應(yīng)鉸刀)，用錐角鉸刀鉸孔;并在量具刃具廠定制研磨頭，按錐角角度磨制研磨頭，如圖2 所示，研磨錐孔。

圖2 錐孔研磨頭示意圖

在圖2 中，θ 角為將要研磨的錐孔角度，φd 小于要研磨錐孔小孔端的孔徑，φD 大于要研磨錐孔大孔端的孔徑。研磨時(shí)，分別選擇粗級(jí)、中級(jí)、細(xì)級(jí)和精細(xì)研磨膏，進(jìn)行粗研、中研、細(xì)研和精研。該加工方法在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用廣泛。采用該方法制造該光學(xué)工程項(xiàng)目中的錐型濾波小孔，需要定制精度非常高的錐角鉸刀和研磨頭，其刀具制造難度和成本非常高;而且，要實(shí)現(xiàn)錐孔與基準(zhǔn)同軸度φ0.005mm，其對(duì)操作技能水平要求高、難度大、效率低。因此，該工藝方法加工該項(xiàng)目中的濾波錐孔零件可行性比較差。

在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中，基于自動(dòng)化加工實(shí)現(xiàn)高效與質(zhì)量可控的要求，目前對(duì)于該類結(jié)構(gòu)精密零件的各種加工方法，線切割具有明顯的優(yōu)勢(shì)［7-10］，尤其是采用慢走絲線切割加工細(xì)長(zhǎng)深孔，能夠獲得非常高的尺寸精度和高質(zhì)量的加工表面。但由于錐型濾波小孔零件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)短、裝夾誤差大，導(dǎo)致零件尺寸精度低、一致性差，且裝夾易劃傷基準(zhǔn)面，影響其表面質(zhì)量和形位精度。可以采用基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的工藝方案，如圖3 所示。精加工內(nèi)錐孔作為加工基準(zhǔn)，嚴(yán)格控制內(nèi)錐孔的一致性，并根據(jù)加工的內(nèi)錐孔孔配作芯軸，芯軸兩端精研中心孔;頂芯軸兩端磨工件外圓(設(shè)計(jì)基準(zhǔn)段)。理論上該工藝方案可以獲得較高的同軸度精度，但經(jīng)工藝試驗(yàn)證明，采用該工藝方案加工錐型濾波小孔零件，其同軸度超過(guò)φ0.01mm、錐孔小端尺寸超公差范圍、且尺寸一致性差，分析其原因如下:

(1)裝配芯軸與錐型濾波小孔進(jìn)行加工時(shí)，錐孔小端易被芯軸擠壓變形，導(dǎo)致錐孔小端口徑變大、幾何尺寸精度超出公差范圍;

(2)由于配作的芯軸屬于細(xì)長(zhǎng)軸，其剛性差，磨削該芯軸難以控制其錐面精度。芯軸錐角與錐孔錐角之間的差值使兩錐面貼合面間存在一定的間隙，如圖4，導(dǎo)致錐孔零件無(wú)法穩(wěn)固裝夾，在磨削力作用下會(huì)產(chǎn)生“讓刀”現(xiàn)象，影響其加工精度;若芯軸的直線度差，錐孔零件的裝夾誤差將進(jìn)一步惡化零件的加工精度。

圖3 基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換加工方案示意圖

圖4 配作芯軸與錐孔零件裝配間隙示意圖

鑒于以上工藝方案存在的不足，新工藝方案著力于控制零件同軸度為關(guān)鍵點(diǎn)，基于“基準(zhǔn)重合”和“基準(zhǔn)統(tǒng)一”的原則，延長(zhǎng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)并復(fù)制到裝夾工裝上，實(shí)現(xiàn)加工基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的統(tǒng)一，便于快速裝夾、精密定位和找正，消除基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移誤差、減小裝夾定位誤差，采用慢走絲線切割加工內(nèi)錐孔、珩磨錐孔去除電腐蝕層，實(shí)現(xiàn)其尺寸精度、形位精度和表面光潔度滿足設(shè)計(jì)要求。

2 加工工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)與制造

錐型濾波小孔零件的工藝路線如圖5 所示，粗車工件各段外圓，控制各段加工余量;用電火花做φ0.8mm 穿絲孔，作為后序加工的粗基準(zhǔn);修兩端穿絲孔并頂其兩端、半精車工件;然后銑扁工件尺寸13mm;研兩端中心孔，頂兩端一次裝夾精磨外圓各段，控制φ15mm 軸全段圓柱度在φ0.0015mm 以內(nèi);采用莫爾千分尺測(cè)量并記錄工件φ15mm 實(shí)際值;采用線切割加工裝夾工裝V 型定位面;裝夾工件后，根據(jù)工件基準(zhǔn)圓柱實(shí)測(cè)值計(jì)算電極絲偏移量，采用同一臺(tái)精密慢走絲線切割加工錐孔，控制同軸度在φ0.005mm 以內(nèi);鏜工件沉孔后采用珩磨工藝去除電腐蝕層、提高錐面光潔度。

2.1 精度分析

制造錐型濾波小孔零件，難點(diǎn)在于控制其同軸度φ0.005mm 和細(xì)長(zhǎng)錐孔面的粗糙度Ra0.2μm。其同軸度的加工誤差來(lái)源主要包括基準(zhǔn)誤差、裝夾誤差、找正誤差、機(jī)床定位誤差等。采用如圖5 所示的工藝路線，采用精密磨床加工外圓基準(zhǔn)，可以控制其圓柱度在φ0.0015mm 以內(nèi);采用AGIE 慢走絲線切割加工錐孔，設(shè)計(jì)如圖6 所示V 型定位工裝裝夾工件，其裝夾找正誤差等效為工件基準(zhǔn)外圓測(cè)量誤差與機(jī)床的定位誤差之和，AGIE 機(jī)床的定位精度優(yōu)于0.001mm、位置檢測(cè)控制精度達(dá)0.1μm，工件基準(zhǔn)外圓測(cè)量精度優(yōu)于0.001mm;結(jié)合機(jī)床誤差補(bǔ)償，累計(jì)誤差可控制在0.0025mm 以內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)同軸度控制在φ0.005mm 以內(nèi)。

采用慢走絲線切割加工錐孔，其粗糙度可達(dá)Ra0.4μm ～Ra0.1μm，但零件錐孔面不允許電腐蝕層存在。采用珩磨工藝去除電腐蝕層，可以提高光潔度，并且對(duì)零件尺寸精度和形位精度影響很小，經(jīng)工藝試驗(yàn)及解剖精測(cè)結(jié)果證明，零件錐孔面的光潔度達(dá)Ra0.1μm、尺寸精度和形位精度基本未受影響。

2.2 基準(zhǔn)選擇

零件加工基準(zhǔn)選擇的優(yōu)劣，對(duì)加工效率和加工質(zhì)量影響很大［3-5］，某些時(shí)候甚至成為工藝路線成敗的關(guān)鍵。對(duì)于錐型濾波小孔零件，其基準(zhǔn)選擇如下:

(1)粗基準(zhǔn)

圖5 錐型濾波小孔工藝路線

錐型濾波小孔的粗基準(zhǔn)選擇為電火花加工穿絲孔，一方面利于后序基準(zhǔn)重復(fù)利用，另一方面有利于后序控制各加工面的加工余量、保證加工面與不加工面之間的位置精度。后序半精車以此為基準(zhǔn)，確保各精加工尺寸有加工余量的前提下盡量減小加工余量，以利于后序精密加工。

(2)半精基準(zhǔn)

研穿絲孔兩端中心孔作為半基準(zhǔn)，以此基準(zhǔn)精磨外圓段，遵循了基準(zhǔn)重合的原則，確保各尺寸精加工前余量均勻，并利于加工裝夾。

(3)精基準(zhǔn)

精基準(zhǔn)應(yīng)遵循基準(zhǔn)重合原則和基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，減少因基準(zhǔn)變更帶來(lái)的定位誤差，同時(shí)應(yīng)利于加工實(shí)施，減少裝夾難度、提高裝夾質(zhì)量和效率。由于原設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為長(zhǎng)3mm 的φ15mm 圓柱端，裝夾困難且定位精度差，以此基準(zhǔn)測(cè)量也非常困難。因此，工藝方案延伸設(shè)計(jì)基準(zhǔn)至全段，并采用V 型定位工裝裝夾，其中，V 型定位面為其裝夾固定好后，使用與加工工件錐孔的同一臺(tái)精密慢走絲線切割機(jī)床加工V 型面，確保了加工基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的統(tǒng)一，便于快速精確定位、同時(shí)將裝夾誤差降至最低。

2.3 專用工裝設(shè)計(jì)

加工錐型濾波小孔零件，其工裝主要包括采用線切割加工錐孔的裝夾工裝與珩磨工裝。線切割工裝主要功能是實(shí)現(xiàn)工件的精確定位與快速找正，同時(shí)利于實(shí)現(xiàn)多規(guī)格、小批量生產(chǎn)的重復(fù)利用。基于此，設(shè)計(jì)了如圖6 所示的工裝，工件基準(zhǔn)圓柱段與工裝三線定位、螺栓緊固。定位工裝一次裝夾并固定于線切割機(jī)床后不再取下，切割基準(zhǔn)為O、內(nèi)切圓半徑為R 的V 型定位面，之后安裝工件進(jìn)行線切割基準(zhǔn)平移。裝夾工件的軸線中心為O'，OO' 之間的偏移量為δL:

其中，R 為切割工裝時(shí)內(nèi)切圓的半徑值，R'為錐型濾波小孔基準(zhǔn)圓柱的加工實(shí)測(cè)值，通過(guò)機(jī)床軸移動(dòng)將基準(zhǔn)從O 平移δL 至O'，實(shí)現(xiàn)了加工基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的統(tǒng)一，然后以O(shè)'為基準(zhǔn)加工錐孔。通過(guò)控制線切割機(jī)床電極絲擺角，實(shí)現(xiàn)加工各尺寸規(guī)格的錐型濾波小孔。

圖6 線切割工裝示意圖

珩磨工裝如圖7 所示，珩磨下模與珩磨設(shè)備相連，珩磨上模與下模之間通過(guò)M36 螺紋連接，通過(guò)調(diào)節(jié)螺紋旋合長(zhǎng)度，緊壓錐型濾波小孔兩端面實(shí)現(xiàn)裝夾，然后珩磨錐孔。此工裝便于快速安裝與拆卸、避免工件擠壓變形，同時(shí)保護(hù)工件精密安裝定位面。

圖7 珩磨工裝

2.4 加工結(jié)果

采用此工藝方案，首批加工了錐型濾波小孔零件共9 種規(guī)格、每種規(guī)格8 件，連同試驗(yàn)件共計(jì)76 件。由于零件錐孔孔深、口徑小，在生產(chǎn)實(shí)際中難以采用常規(guī)方法測(cè)量錐孔表面光潔度。在本次試驗(yàn)和生產(chǎn)任務(wù)中，采用將產(chǎn)品沿軸線對(duì)稱解剖后、使用泰勒接觸掃描式輪廓儀120L(探針半徑2μm、測(cè)量范圍Ra0.025 ～6.3μm)測(cè)量錐孔內(nèi)表面的方法測(cè)量錐孔面光潔度。其中，先期加工的2 件試驗(yàn)件錐孔表面光潔度達(dá)Ra0.1μm，從剩余74 件產(chǎn)品中隨機(jī)抽取的2 件進(jìn)行解剖測(cè)量，錐孔表面光潔度也達(dá)Ra0.1μm。

測(cè)量小孔錐角、小孔與外圓基準(zhǔn)同軸度采用圓度儀Talyround300，該儀器的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)具備調(diào)平和調(diào)心功能，回轉(zhuǎn)精度0.025μm、徑向誤差小于0.15μm +0.001H、軸向誤差小于0.1μm。在工件外圓柱段作旋轉(zhuǎn)起始標(biāo)志位，在圓度儀旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上夾工件一段(基準(zhǔn))外圓柱，掃描(基準(zhǔn))外圓柱面，利用自動(dòng)調(diào)平和調(diào)心功能找正工件，掃描約10cm 一段內(nèi)錐孔(由于錐孔口徑小，測(cè)頭無(wú)法繼續(xù)伸入更深);然后調(diào)頭重新裝夾工件一段(基準(zhǔn))外圓柱，確保旋轉(zhuǎn)起始標(biāo)志位方位一致，再次掃描(基準(zhǔn))外圓柱面，利用自動(dòng)調(diào)平和調(diào)心功能找正工件，掃描約10cm 一段內(nèi)錐孔;根據(jù)兩次掃描結(jié)果計(jì)算小孔錐角和同軸度，精測(cè)所有錐型濾波小孔，錐角滿足設(shè)計(jì)要求、錐孔與外圓基準(zhǔn)同軸度為 φ0.002mm ～φ0.004mm，產(chǎn)品合格率100%。

3 結(jié)論

采用該工藝方法加工錐型濾波小孔，加工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，錐孔光潔度達(dá)Ra0.1μm、錐孔與外圓柱基準(zhǔn)同軸度為φ0.002mm ～φ0.004mm，加工質(zhì)量穩(wěn)定、尺寸一致性好。神光-Ⅲ裝置兩路達(dá)標(biāo)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了錐型濾波小孔的濾波性能，實(shí)現(xiàn)了高能量濾波并且無(wú)堵孔產(chǎn)生，滿足該光學(xué)工程裝置的應(yīng)用需求。該工藝方法正應(yīng)用于神光-Ⅲ空間濾波器后續(xù)批次錐型濾波小孔的制造。

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