大型深盲孔在線檢測與自適應(yīng)加工技術(shù)應(yīng)用研究

高　原，王曉兵，趙　凱，鄭　練，彭光宇

(1.中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089；2.湖北三江航天險(xiǎn)峰電子信息有限公司，湖北 孝感 432100)

大型深盲孔在線檢測與自適應(yīng)加工技術(shù)應(yīng)用研究

高原1，王曉兵2，趙凱2，鄭練1，彭光宇1

(1.中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 100089；2.湖北三江航天險(xiǎn)峰電子信息有限公司，湖北 孝感 432100)

摘要：針對大型復(fù)雜深盲孔零件加工與檢測難題，通過氣動快速換刀裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)測頭及刀體的精密快速裝夾轉(zhuǎn)換，并在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法和測頭宏程序機(jī)理，摸索出了一整套大型復(fù)雜深盲孔零件在線檢測自適應(yīng)加工方案，解決了因?yàn)榈毒吣p、機(jī)床主軸跳動等原因而造成的加工誤差，從而達(dá)到了該類型零件高質(zhì)高效加工的目的。

關(guān)鍵詞：在線檢測；自適應(yīng)加工；換刀裝置

大型復(fù)雜深盲孔零件的加工一直是機(jī)械加工領(lǐng)域公認(rèn)的技術(shù)難題。本文以典型彈體產(chǎn)品零件為研究對象，通過對測頭宏程序、數(shù)控系統(tǒng)宏變量的研究，結(jié)合工裝創(chuàng)新設(shè)計(jì)，從在線檢測和自適應(yīng)加工的角度尋求解決該難題的方法，并進(jìn)行加工應(yīng)用。

1深盲孔加工中存在的主要工藝問題

根據(jù)生產(chǎn)加工實(shí)際，梳理了深盲孔加工中存在的問題，主要集中在下述2個(gè)方面。

1)大型深盲孔加工時(shí)內(nèi)孔精度檢測問題。采用模擬量規(guī)定性檢測或破壞性檢測無法快速準(zhǔn)確地對彈體零件內(nèi)腔進(jìn)行定量檢測，也不能對現(xiàn)場加工中的刀具參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，極大地影響了深孔內(nèi)腔加工檢驗(yàn)。隨著型號任務(wù)的發(fā)展，型號產(chǎn)品的殼體口徑與長度尺寸越來越大，部分殼體采用的還是口小肚大的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，采用模擬量規(guī)的方式已完全不能解決測量問題。某型號產(chǎn)品殼體如圖1所示，其內(nèi)腔采用口小肚大的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并且前部截面為圓弧與錐度曲線，車削加工完畢后，無法直接準(zhǔn)確地檢測內(nèi)腔尺寸，首件加工后采用破壞性檢測，將殼體用線切割沿軸向切為兩部分后，在三坐標(biāo)測量機(jī)上進(jìn)行內(nèi)腔尺寸測量，然后根據(jù)檢測數(shù)據(jù)指導(dǎo)后續(xù)零件的生產(chǎn)。這種檢測方法不僅增加了生產(chǎn)成本，還延長了生產(chǎn)周期，質(zhì)量也無法保證，如何準(zhǔn)確在線測量殼體內(nèi)腔的尺寸成為迫切需要解決的問題。

圖1　某殼體剖面圖

2)大型深盲孔車削加工時(shí)內(nèi)孔精度控制問題。在企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中，多種大型殼體的材料為30CrMnSiNi2A，精加工時(shí)零件材料為調(diào)質(zhì)狀態(tài)，硬度為28～32或38～42 HRC。精加工過程中，刀具切削軌跡較長，由于刀具磨損、讓刀加劇等原因，加工時(shí)的尺寸誤差逐漸加大，使零件最終的尺寸精度很難保證。

2采用的技術(shù)途徑、方法和解決的關(guān)鍵工藝難題

根據(jù)上述情況，本研究設(shè)計(jì)如下解決方案：1)通過在車床深盲孔加工專用刀桿上創(chuàng)新設(shè)計(jì)氣動快換機(jī)構(gòu)，快速完成檢測和各種刀具的快速轉(zhuǎn)換，保證各種刀柄定位高精度，滿足加工和檢測各種復(fù)雜的深盲孔內(nèi)腔的要求；2)通過專用工件檢測設(shè)備(雷尼紹測頭)探觸深孔內(nèi)壁特征曲線關(guān)鍵點(diǎn)，將檢測到的坐標(biāo)值反饋給機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，然后通過開發(fā)宏程序進(jìn)行自動運(yùn)算修改半精加工和精加工軌跡，對各種誤差造成的零件誤差進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償，保證零件深盲孔精加工精度。

根據(jù)上述方案的思路，界定了本研究需要解決的3個(gè)主要問題：1)測頭和各種車刀體定位安裝和快速轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題；2)內(nèi)腔尺寸的檢測計(jì)算問題；3)深盲孔加工精度的控制問題。

2.1測頭和各種車刀體定位安裝和快速轉(zhuǎn)換解決方案

對于大型深盲孔加工，為解決在普通數(shù)控車床上的加工問題，設(shè)計(jì)了專用刀桿(見圖2)。其中，配重體能夠保證刀桿在托板上平衡受力；刀桿能夠滿足快換機(jī)構(gòu)的裝卸和加工檢測需要；支座被安裝在機(jī)床托板上，起到支承刀桿的作用；氣動快換機(jī)構(gòu)用于工件深盲孔的在線檢測和加工，能夠滿足各種刀具和檢測裝置的快速轉(zhuǎn)換。刀頭外形經(jīng)過三維裝配模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保其在加工深盲孔時(shí)不會與工件發(fā)生干涉，自制鏜刀桿通過鏜刀座固定在車床中拖板上，通過刀具轉(zhuǎn)換系統(tǒng)完成各種刀具和測頭的快速轉(zhuǎn)換。

圖2　深盲孔加工專用刀桿示意圖

以往的刀桿頭部設(shè)計(jì)比較簡單，通過在桿體頭部開槽，采用螺釘緊固的方式夾持刀體。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在2個(gè)缺陷：1)刀體、刀片換裝不方便；2)刀體重復(fù)定位精度不高，每更換一次均需要重新對刀找正。為此，應(yīng)用3項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)改良設(shè)計(jì)了氣動快換機(jī)構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　氣動快換機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.1.1刀柄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以往的深盲孔加工專用刀桿，在刀桿前部開方形通槽，將刀體嵌入后采用螺釘緊固。從圖3可以看到，筆者將銑削加工中心常用的BT40刀柄結(jié)構(gòu)移植到了專用刀桿上。此創(chuàng)新設(shè)計(jì)的突出特點(diǎn)是：1)沿襲了銑削加工中心刀柄系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，技術(shù)成熟，刀具夾持更加穩(wěn)定；2)該機(jī)構(gòu)采用錐體與錐孔配合形成精密定位，裝夾精度更高，且重復(fù)精度保持好；3)銑削加工中心的BT40刀柄完全可應(yīng)用于專用刀桿，降本增效；4)可按照刀具標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的刀座模塊，換裝方便快捷；5)該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還應(yīng)用了銑刀刀具內(nèi)冷技術(shù)，通過刀柄中空設(shè)計(jì)，使冷卻液從刀桿內(nèi)部直達(dá)切削部位，輕松解決了深盲孔加工的冷卻難題。

2.1.2氣動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對于BT40刀柄結(jié)構(gòu)，不能采用簡單的螺釘緊固方式，受到專用刀桿外形和加工實(shí)際等因素的影響，加上銑削加工中心刀柄系統(tǒng)的氣動控制結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，單純將其照搬也不現(xiàn)實(shí)。筆者根據(jù)專用刀桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對BT40刀柄的夾持機(jī)理進(jìn)行了認(rèn)真分析，設(shè)計(jì)了新的氣動控制系統(tǒng)。該氣動控制系統(tǒng)的原理如圖4所示。

圖4　氣動控制系統(tǒng)原理圖

加工工件時(shí)，手工將各種刀座插入到夾具體內(nèi)。氣缸形成氣壓回路?？刂茡Q氣閥開關(guān)，進(jìn)氣嘴A進(jìn)氣，活塞向右移動，將刀座鎖死。加工完成后，控制換氣閥開關(guān)，進(jìn)氣嘴B進(jìn)氣，活塞向左移，刀座軸向被解鎖，刀具即可取下。再安裝不同的刀具，完成整個(gè)零件的加工。新型氣動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，安全可靠。

2.1.3檢測機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣動快換機(jī)構(gòu)安裝測頭的狀態(tài)示意圖如圖5所示，該裝置與圖3所示的刀體安裝示意圖不同的地方就是將刀座換成了檢測機(jī)構(gòu)。該檢測機(jī)構(gòu)的核心部件是測頭，由于深盲孔內(nèi)光學(xué)測頭和無線電測頭有其局限性，筆者選用了有線測頭MP250。由于檢測裝置有著比刀具刀座更高的要求，筆者有針對性地做了兩項(xiàng)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)：1)設(shè)計(jì)了MP250測頭信號線連接觸頭，將檢測裝置插入刀體內(nèi)，由標(biāo)準(zhǔn)的錐體與錐孔配合形成精密定位，并且在汽缸作用拉緊刀座的同時(shí)，測頭信號線通過刀座和刀體上的彈性觸頭導(dǎo)通，測頭處于工作狀態(tài)；2)設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)升降旋鈕及鎖死螺釘，其重要功能是在使用前對測頭進(jìn)行標(biāo)定，通過調(diào)節(jié)升降旋鈕，找正回轉(zhuǎn)體中心軸線與測頭球心水平，最后用鎖死螺釘將測量裝置鎖死，限制其在測量時(shí)發(fā)生上、下移動。

圖5　氣動快換機(jī)構(gòu)安裝測頭示意圖

通過上述系列優(yōu)化、細(xì)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)檢測裝置的精確、可靠工作。測量時(shí)，將該裝置伸入回轉(zhuǎn)體盲孔內(nèi)，用測頭檢測盲孔內(nèi)壁的某點(diǎn)。測量結(jié)束后，進(jìn)氣嘴A進(jìn)氣，活塞右移，測量裝置的軸向運(yùn)動限制被解除，人工取下。該裝置具有測量精度高、測量方便和效率高等特點(diǎn)。

2.2內(nèi)腔尺寸檢測計(jì)算問題

由于彈體內(nèi)腔截面為多段斜線、圓弧或曲線組成，所以應(yīng)檢測多點(diǎn)尺寸，采取不同的算法來換算尺寸誤差。由于雷尼紹公司只提供了圓柱面的檢測程序，沒有提供截面為曲線和斜線的檢測程序，因此，應(yīng)自行設(shè)計(jì)截面為曲線和斜線的檢測方案。

2.2.1圓錐面檢測宏程序設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)該方案，首先應(yīng)解決半精加工后非水平和垂直方向的截面的檢測，而雷尼紹公司的車床用測頭宏程序未提供非水平和垂直方向的截面的檢測用宏程序，因此，設(shè)計(jì)了如下檢測方案(見圖6)，D0為檢測軌跡線段的起點(diǎn)，D1為檢測軌跡線段理論終點(diǎn)，檢測軌跡線段平行于X軸，檢測誤差Δ存儲于刀具磨損補(bǔ)償?shù)刂肺恢?，其源程序命名為O9015宏程序。

圖6　圓錐面檢測方案示意圖

雷尼紹提供了O9011(X向單邊測量)宏程序，本研究選用各向同性的測頭，檢測誤差計(jì)算可以大大簡化。圓錐面檢測方案局部放大圖如圖7所示。從圖7可以看出O9015宏程序運(yùn)算結(jié)果與O9011宏程序比較。

Δ=x1-(x1′+δ)=x1-x1′-δ

式中，x1-x1′是O9011的運(yùn)算結(jié)果；δ=R/COSA-R，R是測頭球頭半徑。

在O9011的基礎(chǔ)上修編產(chǎn)生O9015。O9015調(diào)用格式：G65P9015XxAaMm。其中，X：x=被測外圓或內(nèi)圓的徑向坐標(biāo)；A：a=被測量面與Z軸夾角；M：m=用于存儲測量偏差的空余刀編號。若輸入上述參數(shù)，將把實(shí)際測量值與輸入值的差Δ存入m相應(yīng)的刀編號中。

圖7　圓錐面檢測方案局部放大圖

通過運(yùn)行上述檢測程序，可以將每個(gè)加工軌跡交點(diǎn)的誤差按順序逐個(gè)存入#10020、#10021和#10022等，以備精加工時(shí)調(diào)用。

2.2.2截面為圓弧線的檢測方案設(shè)計(jì)

截面為圓弧線的檢測如圖8所示，將圓弧直徑理論值D轉(zhuǎn)換成測頭在該點(diǎn)檢測的理論值D1，數(shù)控系統(tǒng)只進(jìn)行測頭在該點(diǎn)檢測的實(shí)際值與理論值D1比較，記錄誤差，將復(fù)雜的運(yùn)算轉(zhuǎn)移到數(shù)控系統(tǒng)外進(jìn)行，很好地解決了該難題。

圖8　圓弧線檢測方案示意圖

2.3刀具磨損問題

針對刀具磨損問題，采用存儲半精加工誤差在系統(tǒng)中，通過試驗(yàn)找到誤差值和補(bǔ)償值的最佳代數(shù)關(guān)系，通過編制宏程序?qū)崿F(xiàn)誤差的精加工自動補(bǔ)償[1]。

為尋找難切削材料車削加工中刀具磨損造成零件加工尺寸的變化規(guī)律，本研究進(jìn)行了大量的加工試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果來看，難切削材料的加工過程較復(fù)雜，加工誤差牽涉到刀具磨損、機(jī)床剛度和刀具磨損后讓刀加劇等多個(gè)方面，這些問題都會反映到零件的加工誤差上。通過大量試驗(yàn)得出下述結(jié)論：1)零件加工誤差不完全因?yàn)榈毒吣p造成，其中有機(jī)床剛度、刀具剛度和刀具磨損后讓刀加劇等綜合因素，其誤差值遠(yuǎn)大于刀具的實(shí)際磨損值；2)零件加工誤差變化趨勢如圖9所示，由于同一塊材料在不同的點(diǎn)，材料硬度數(shù)值存在3～5HRC的差值，因此加工誤差在中間點(diǎn)檢測會有誤差與加工趨勢的異動點(diǎn)；3)零件裝夾方式不同會因機(jī)床主軸或裝夾裝備剛度產(chǎn)生加工誤差，該誤差可能是零件加工的主要誤差。

圖9　零件加工誤差變化趨勢圖

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)論，總結(jié)難切削材料的加工方案：用2把相同規(guī)格、相同品牌的刀具組成一組，每組刀具中的2把刀具分別進(jìn)行零件的半精加工和精加工，半精加工和精加工的加工參數(shù)完全一致，在半精加工后，增加檢測工序，檢測每一段軌跡交點(diǎn)的誤差值。精加工時(shí)，將每一點(diǎn)的誤差值代入精加工軌跡進(jìn)行補(bǔ)正，解決精加工中刀具磨損產(chǎn)生的誤差，由于半精加工和精加工材料只相差1個(gè)精加工厚度，因此可以消除材料硬度不同對加工補(bǔ)償精度的影響。

根據(jù)上述原理，進(jìn)行如下加工工藝方案設(shè)計(jì)(見圖10)。

1)粗車加工輪廓，留理論車削加工余量δ。

2)用探針在零件每個(gè)輪廓交點(diǎn)測一個(gè)點(diǎn)，比較工件實(shí)際尺寸與最終理論尺寸的誤差量δ，按順序保存記錄δ1、δ2、δ3……在連續(xù)地址位。

3)用半精加工車刀加工輪廓，加工參數(shù)和精加工的加工參數(shù)完全一致。加工理論軌跡交點(diǎn)的半徑值X為：加工外圓時(shí)，X輸入值為Xn-δn/2；加工內(nèi)孔時(shí)，X輸入值修改為Xn+δn/2 (Xn為該點(diǎn)位最終理論值補(bǔ)償，δn為該點(diǎn)位粗加工誤差量)。

4)用探針在零件每個(gè)輪廓交點(diǎn)測一個(gè)點(diǎn)，比較工件實(shí)際尺寸與半精加工理論尺寸的誤差量δ′，保存記錄。

5)用另一把精加工車刀刀具精加工輪廓，加工參數(shù)與半精車加工輪廓一致，分段補(bǔ)償加工誤差δ，即加工外圓時(shí)，X輸入值修改為Xn-δn′，加工內(nèi)孔時(shí)，X輸入值修改為Xn+δn′(Xn為該點(diǎn)位原輸入值，δn′為該點(diǎn)位誤差量)。

a) 外形加工

b) 內(nèi)孔加工圖10　加工各步驟軌跡線和輪廓圖

3切削驗(yàn)證試驗(yàn)

通過系統(tǒng)研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，本研究逐步總結(jié)出了大型深盲孔在線檢測與自適應(yīng)加工技術(shù)方案，為了確認(rèn)方案的可行性并進(jìn)一步加以完善，開展了系列切削驗(yàn)證試驗(yàn)和應(yīng)用。

3.1外形加工檢測和自適應(yīng)補(bǔ)償綜合試驗(yàn)

由于內(nèi)孔較深處直徑尺寸無法檢測，因此，攻關(guān)組通過進(jìn)行外形加工檢測和自適應(yīng)補(bǔ)償綜合試驗(yàn)，來驗(yàn)證檢測宏程序和自適應(yīng)補(bǔ)償方案的正確性。加工步驟如下： 1)將某產(chǎn)品殼體(尺寸如圖11所示，材料為30CrMoSiA，硬度為47～52 HRC)裝夾在CK61100Q數(shù)控機(jī)床上；2)粗加工外形；3)探針檢測外圓上各交點(diǎn)；4)用半精加工車刀加工輪廓，X輸入值為Xn-δn/2(Xn為該點(diǎn)位最終理論值補(bǔ)償，δn為該點(diǎn)位粗加工誤差量)；5)用探針在零件每個(gè)輪廓交點(diǎn)測一個(gè)點(diǎn)，比較工件實(shí)際尺寸與半精加工理論尺寸的誤差量δ′，保存記錄；6)用另一把精加工車刀刀具精加工輪廓，加工參數(shù)與半精車加工輪廓一致，分段補(bǔ)償加工誤差δ。

圖11　外形加工試驗(yàn)工件尺寸圖

后續(xù)通過改變直徑a值又進(jìn)行了多輪試驗(yàn)，試驗(yàn)證明：1)測頭標(biāo)定正確的情況下，測頭檢測數(shù)據(jù)與手工千分尺檢測數(shù)據(jù)誤差≤0.02 mm；2)粗加工后檢測各控制點(diǎn)誤差≤0.06 mm，通過粗、精加工補(bǔ)償后，各控制點(diǎn)誤差≤0.02 mm；3)試驗(yàn)證明，加工補(bǔ)償方案可行。

3.2內(nèi)孔加工檢測和自適應(yīng)補(bǔ)償綜合試驗(yàn)

本研究用φ100 mm的換刀機(jī)構(gòu)對某產(chǎn)品殼體(尺寸如圖12所示，材料為30CrMnSiA，硬度為48～52 HRC)進(jìn)行補(bǔ)充加工，加工檢測步驟如下：1)將零件裝夾在CK61100Q數(shù)控機(jī)床上；2)粗加工內(nèi)孔；3)探針檢測內(nèi)孔上各交點(diǎn)；4)用半精加工車刀加工內(nèi)孔，X輸入值為Xn+δn/2 (Xn為該點(diǎn)位最終理論值補(bǔ)償，δn為該點(diǎn)位粗加工誤差量)；5)用探針在零件每個(gè)輪廓交點(diǎn)測一個(gè)點(diǎn)，比較工件實(shí)際尺寸與半精加工理論尺寸的誤差量δ′，保存記錄；6)用另一把精加工車刀刀具精加工內(nèi)孔輪廓，加工參數(shù)與半精車加工輪廓一致，分段補(bǔ)償加工誤差δ。

加工結(jié)果用內(nèi)徑量表檢測孔口與測頭檢測比較，兩者誤差≤0.03 mm，說明檢測精度和加工精度滿足尺寸精度要求。

圖12　內(nèi)孔加工試驗(yàn)工件尺寸圖

4結(jié)語

通過氣動快速轉(zhuǎn)換工裝的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，數(shù)控系統(tǒng)算法研究及宏程序的二次開發(fā)，總結(jié)出了一套全新的大型深盲孔在線檢測和自適應(yīng)加工方法，通過切削驗(yàn)證試驗(yàn)證明其行之有效，為深盲孔的加工和檢測提供了一種新思路，零件檢測自適應(yīng)加工全自動完成，在保證零件加工質(zhì)量的同時(shí)，大大提高了零件的加工效率，降低了生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 李琳,馮美君.五軸數(shù)控機(jī)床幾何誤差的建模與補(bǔ)償技術(shù)[J].新技術(shù)新工藝,2014(1): 18-22.

責(zé)任編輯馬彤

勘誤證明

衢州學(xué)院：

茲有貴單位金堅(jiān)強(qiáng)、曾靜于2015年6月在《新技術(shù)新工藝》雜志上發(fā)表了題為“基于節(jié)能材料的外墻保溫技術(shù)研究”的論文?，F(xiàn)特說明：曾靜為第二作者；基金項(xiàng)目為浙江省衢州市科技項(xiàng)目(2013Y009)和浙江省衢州市科技項(xiàng)目(2013Y015)。特此證明。

《新技術(shù)新工藝》雜志社2015年7月16日

The Application Research of Large Deep Blind Hole Online Detection and Adaptive Processing Technology

GAO Yuan1，WANG Xiaobing2，ZHAO Kai2，ZHENG Lian1，PENG Guangyu1

(1. Advanced Technology Generalization Institute of CNGC，Beijing 100089， China；

2.Hubei Sanjiang Space Xianfeng Electonic & Information Co., Ltd.，Xiaogan 432100， China)

Abstract：Analyze the deep blind hole large complex parts machining and measuring challenges. Through innovative design of the pneumatic quick tool changer, achieve rapid clamping probe and precision cutter body conversion. On this basis, with the systematic study of the NC system data structure algorithms and probe into the mechanism of macro program, the author works out a set of large, complex deep blind hole parts online measuring adaptive machining solutions to solve the machining error because of the tool wear, spindle run-out and other factors, and achieve the purpose of the high quality and efficient processing of parts.

Key words:online measurement，adaptive machining，tool changer

收稿日期：2015-03-18

作者簡介：高原(1985-)，女，工程師，碩士，主要從事新技術(shù)新工藝推廣等方面的研究。

中圖分類號：TP 273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A