不銹鋼細(xì)小深盲孔自動(dòng)加工關(guān)鍵技術(shù)的研究

李思平，楊崇倡(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620)

不銹鋼細(xì)小深盲孔自動(dòng)加工關(guān)鍵技術(shù)的研究

李思平，楊崇倡
(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620)

不銹鋼噴絲板有大量的加工孔道，其孔道具有高精度、微小尺寸、大長(zhǎng)徑比、盲孔的特征。針對(duì)以上特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)其加工的自動(dòng)化，對(duì)不銹鋼細(xì)小深盲孔的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)噴絲板底孔加工機(jī)床。優(yōu)化傳統(tǒng)工加工藝，增加了數(shù)控機(jī)床對(duì)刀儀，同時(shí)采用數(shù)控暫停的方法，保障了加工深度的一致性;選用空心主軸和壓縮空氣，實(shí)現(xiàn)了細(xì)小深盲孔的在線清屑;使用數(shù)字顯微鏡機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)刀具進(jìn)行在線觀測(cè)，有效的減少了刀具崩刃情況的發(fā)生，提高了孔道加工的效率。實(shí)踐證明，該工藝突破了不銹鋼噴絲板細(xì)小深盲孔自動(dòng)加工的瓶頸，加工精度良好，可用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

不銹鋼;噴絲板;高精度;細(xì)小深盲孔

0 引言

噴絲板是紡絲機(jī)不可缺少的核心精密零件，其上有少則幾個(gè)、幾十個(gè)，多則成千上萬(wàn)個(gè)噴絲孔道［1］。噴絲孔道的質(zhì)量是保證纖維成品質(zhì)量和良好紡絲工藝的重要條件，因而其加工精度必須得到良好的保障。

底孔加工是噴絲板孔道加工中必不可少的一部分，但加工難度卻極高。一方面是因?yàn)椋瑖?guó)內(nèi)化學(xué)纖維工業(yè)常用的噴絲板材料是不銹鋼SUS630和SUS321，作為典型的奧氏體不銹鋼，這兩種材料因其韌性大、熱強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、切削時(shí)塑性變形大加工硬化嚴(yán)重等原因，使其相對(duì)可切削性?xún)H為45鋼的0.3～0.5，刀具極易磨損和崩刃［2-4］。另一方面則是由于噴絲孔屬于典型的大批量細(xì)小深盲孔，精度及尺寸一致性要求高，因此刀具的磨損和切屑的排出都需要進(jìn)行嚴(yán)格的掌控［5-6］。介于以上原因，雖然底孔的數(shù)控加工已在國(guó)外得到推廣應(yīng)用，但在國(guó)內(nèi)卻遲遲未研發(fā)成功，依舊依靠傳統(tǒng)手工加工。而與此相對(duì)的，手工加工不僅效率低下，更是常常出現(xiàn)刀具折斷、底孔劃傷、留底厚不統(tǒng)一的情況，對(duì)其精度造成了極大的影響。

因此，對(duì)噴絲板的底孔自動(dòng)化加工技術(shù)進(jìn)行研究十分具有必要性。本文通過(guò)對(duì)全自動(dòng)噴絲板底孔加工機(jī)床進(jìn)行了研發(fā)，著重針對(duì)以上問(wèn)題，提供了一種解決不銹鋼材料微小尺寸、大長(zhǎng)徑比、高精度盲孔加工的方法。

1 噴絲板底孔加工機(jī)床的研發(fā)

1.1 工藝流程優(yōu)化

傳統(tǒng)底孔手工加工工藝如圖1所示，即非連續(xù)性加工。可分為兩步:第一步，使用中心鉆定位，再用導(dǎo)孔鉆進(jìn)行孔道粗加工、精鉆進(jìn)行孔底精加工;第二步，由人工進(jìn)行切屑清理工作，待清理干凈后，再使用扁鉆進(jìn)行鉸孔，確保底孔的加工精度。

圖1 傳統(tǒng)底孔加工工藝

可以看出，切屑清理是阻礙噴絲板底孔自動(dòng)化加工的關(guān)鍵因素。因此，為實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，需將切屑清理動(dòng)作變?yōu)樽詣?dòng)化，加入傳統(tǒng)工藝中，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以達(dá)到連續(xù)性加工的目的。

在噴絲板底孔加工過(guò)程中，扁鉆作為最后工序所使用的刀具，由于其擠壓切削的工藝特點(diǎn)，使加工過(guò)程對(duì)孔底鐵屑?xì)埩羟鍧嵍纫筝^高。若孔底存有殘留鐵屑，則會(huì)造成扁鉆折尖，甚至崩斷。故需將清理步驟置于精鉆和扁鉆加工之間，為后續(xù)的扁鉆加工提供良好的環(huán)境條件。但在實(shí)際的加工過(guò)程中，該工藝路線加工出來(lái)的孔底的光潔度時(shí)好時(shí)壞，一致性較差。

通過(guò)實(shí)際觀察可知，產(chǎn)生這種情況的主要原因是鉸孔時(shí)扁鉆鉆頭與切削的相互影響。通過(guò)分析、實(shí)驗(yàn)，針對(duì)孔道微小尺寸、大長(zhǎng)徑比、高精度、盲孔的自身特征，同時(shí)考慮扁鉆更適宜小進(jìn)給量的工藝要求，為提高孔底光潔度，保證加工精度，綜合分析對(duì)其加工工藝進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的加工工藝如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的底孔加工工藝

即將扁鉆的切削量設(shè)為0.25mm、0.15mm兩部分，將切屑清理工作分為兩次，分別置于每次鉸孔加工之前。該工藝中，及時(shí)的排屑既避免了切屑在加工過(guò)程中夾在扁鉆與工件表面之中對(duì)孔底造成的劃傷，也減少了孔道內(nèi)部的殘余切屑對(duì)加工鉆頭造成的影響。同時(shí)，多次少量的加工也提高了切削加工的表面光潔度。

1.2 加工方法優(yōu)化

在底孔的尺寸精度方面，留底厚作為后續(xù)微孔加工的基準(zhǔn)，是其中重要的一個(gè)指標(biāo)。若留低厚不均，在進(jìn)行微孔加工時(shí)，便無(wú)法準(zhǔn)確定位微孔加工刀具下刀位置:過(guò)厚則實(shí)際下刀過(guò)深，微型刀具易因碰撞崩刃乃至折斷;過(guò)薄則微孔深度不足，使用時(shí)會(huì)對(duì)纖維成品產(chǎn)生影響。而對(duì)于噴絲板這種典型的奧氏體不銹鋼材料，由于其切削性能較差的特點(diǎn)，在微小尺寸孔道加工方面，加工的尺寸精度較難得到保證。

其中一個(gè)重要的原因就是刀具在切削過(guò)程中，由于快速進(jìn)給造成的撓度變形而無(wú)法有效切削所產(chǎn)生的讓刀誤差。在一般加工中，這種誤差可以通過(guò)誤差補(bǔ)償來(lái)進(jìn)行修正，從而提高加工精度。但在微孔加工方面，該誤差對(duì)于加工的微小尺寸而言過(guò)大，無(wú)法通過(guò)誤差補(bǔ)償來(lái)降低其對(duì)加工精度的影響。針對(duì)該問(wèn)題，該加工工藝創(chuàng)新使用了數(shù)控程序暫停的方法。在精鉆加工時(shí)，在數(shù)控加工程序中，讓鉆孔循環(huán)停留1s，給予了鉆頭充分的時(shí)間讓其剛度進(jìn)行一定的恢復(fù)再繼續(xù)進(jìn)行切削加工，從而從根本上減少讓刀產(chǎn)生的誤差，保證加工精度。

另一個(gè)主要原因，則是在實(shí)際的加工過(guò)程中，刀具所產(chǎn)生的不可避免的微量磨損。對(duì)此，需采用數(shù)控機(jī)床對(duì)刀儀對(duì)刀具進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)及補(bǔ)償。通過(guò)對(duì)刀儀的測(cè)定后，刀補(bǔ)會(huì)自動(dòng)計(jì)入到系統(tǒng)中，之后的鉆削過(guò)程則采用新的刀補(bǔ)數(shù)據(jù)，刀具一旦磨損，即可自動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)刀具磨損自動(dòng)補(bǔ)償功能［7］。

1.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)

在噴絲板底孔的加工工藝中，清理切屑是十分重要的一步，而底孔的微小尺寸、大長(zhǎng)徑比、高精度、盲孔等一系列特征，更是使其成為加工遲遲不能自動(dòng)化的瓶頸。

在傳統(tǒng)加工中，工廠普遍采用“噴淋+噴氣”模式進(jìn)行噴絲板孔道的清理。即同時(shí)使用AT-105防銹液體清洗劑和壓縮空氣對(duì)噴絲板進(jìn)行約15min的清洗。但這種方法較耗時(shí)，且只適用于噴絲板的單步驟清洗，即加工在前、清理在后，無(wú)法實(shí)現(xiàn)清屑的在線功能，也無(wú)法將其融入自動(dòng)化加工工藝中。

若要在加工中心上實(shí)現(xiàn)在線清屑，則需要解決兩個(gè)問(wèn)題:一是如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，二是避免使用專(zhuān)門(mén)的清洗液，以免其和切削液混合。針對(duì)以上問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)在線清屑功能，本文設(shè)計(jì)出如圖3所示的機(jī)床部分結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中，采用了中空主軸和中空樣式的拉釘、刀柄、氣針等;工作時(shí)，在外部施加壓縮空氣供給，通過(guò)壓縮空氣的作用力使切屑完全排出。

圖3 主軸吹氣示意圖

機(jī)床進(jìn)行排屑動(dòng)作時(shí)，將在換刀后，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氣針的走位，并將其移動(dòng)至加工孔道中。施加的壓縮空氣將依次通過(guò)主軸、拉釘、刀柄的中空管道，傳送至氣針中，形成一條單向氣路。此處，氣針需選擇比噴絲板導(dǎo)孔孔徑小0.5mm左右的空心氣針，便于其順利的插入導(dǎo)孔底部進(jìn)行切屑清理工作。這種壓縮空氣的清理方法可以有效的保證后續(xù)刀具的加工環(huán)境，進(jìn)而保障了刀具的順利切削及孔道的精度，實(shí)現(xiàn)了微小尺寸、大長(zhǎng)徑比的孔道清理自動(dòng)化。同時(shí)，對(duì)比傳統(tǒng)工藝中的清屑方案，采用壓縮空氣代替清洗劑和壓縮空氣的組合式清洗，也避免了加工中可能出現(xiàn)的清洗劑對(duì)切削液的干擾影響，使切削可以順利進(jìn)行。

2 刀具在線觀測(cè)系統(tǒng)

2.1 刀具在線觀測(cè)的實(shí)現(xiàn)

在機(jī)械加工過(guò)程中，加工過(guò)程檢測(cè)是保證加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性的必要途徑。作為機(jī)械加工過(guò)程的最基本的加工元素，刀具必然成為整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)的重要環(huán)節(jié)。因此，刀具在線監(jiān)測(cè)是自動(dòng)化加工技術(shù)中的重要課題［8］。對(duì)于噴絲板孔道加工而言，刀具的少量磨損并不會(huì)直接影響切削效果，其主要影響因素是刀具的形狀是否完整、刃口是否光滑，故不宜使用機(jī)器進(jìn)行全程檢測(cè)。同時(shí)，由于噴絲板孔道的特殊結(jié)構(gòu)，在加工過(guò)程之中的檢測(cè)也較為困難。

在傳統(tǒng)加工中，介于刀具刀刃極小的原因，為確保每一次加工的有效性，需在加工之后卸下刀具，通過(guò)顯微放大人工進(jìn)行觀測(cè)。這使刀具多次裝卸，造成極大的誤差。對(duì)此，可采用數(shù)字顯微鏡機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，在孔道加工之后對(duì)刀具進(jìn)行觀測(cè)，再由人工進(jìn)行判斷對(duì)刀具進(jìn)行觀察。既確保了刀具的可靠性，避免了多次拆卸造成的刀具磨損、對(duì)刀誤差，也便于信息儲(chǔ)存檢

測(cè)［9-11］。

圖4為該刀具在線觀測(cè)系統(tǒng)。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的固定支架通過(guò)壓板被固定在機(jī)床的側(cè)臂上，氣缸作為驅(qū)動(dòng)元件帶動(dòng)數(shù)字顯微鏡運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到對(duì)工作距離的調(diào)整需求;主軸緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，以全方位觀測(cè)所使用刀具的磨損情況。

圖4 刀具在線觀測(cè)系統(tǒng)

2.2 刀具磨損判定

在每次加工完成后，刀具在線觀測(cè)系統(tǒng)將通過(guò)數(shù)字顯微鏡將圖像分析處理并傳送至計(jì)算機(jī)顯示屏上，以便后續(xù)實(shí)時(shí)觀測(cè)。

在刀具檢測(cè)環(huán)節(jié)，扁鉆的磨損是首要檢測(cè)對(duì)象，除去明顯的裂痕和缺口外，其跳動(dòng)對(duì)孔道加工也有極大的影響。若扁鉆跳動(dòng)，則在后續(xù)加工中極易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，不僅影響孔道精度，還大幅降低了加工效率。傳統(tǒng)檢測(cè)工藝雖采用絲表測(cè)量了扁鉆的桿部跳動(dòng)，卻無(wú)法對(duì)其尖部進(jìn)行有效的測(cè)量;而依托在線觀測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)字顯微鏡將鉆頭進(jìn)行400倍以上的放大后，則可實(shí)現(xiàn)扁鉆尖部跳動(dòng)的測(cè)量。

圖5 扁鉆跳動(dòng)測(cè)量

如圖5所示，即為扁鉆跳動(dòng)測(cè)量示意圖。得到拍攝圖片后，先進(jìn)行中心線識(shí)別及畫(huà)線，再將扁鉆旋轉(zhuǎn)180°，由人眼觀測(cè)、判斷旋轉(zhuǎn)后的扁鉆與所畫(huà)中心線是否重合:重合即可說(shuō)明該鉆頭無(wú)跳動(dòng)，可繼續(xù)執(zhí)行下步動(dòng)作;不重合，則該鉆頭不對(duì)心，已有跳動(dòng)，需立即執(zhí)行換刀程序，以保障后續(xù)工作的順利進(jìn)行。

實(shí)踐證明，在使用該系統(tǒng)后，刀具的崩刃情況發(fā)生的概率明顯降低，避免了刀具的損壞對(duì)孔道加工精度的影響;同時(shí)，在線的觀測(cè)避免了每次加工完成后人工取下刀具進(jìn)行顯微放大查看的過(guò)程，減少了不必要的對(duì)刀次數(shù)，提升了加工效率。

3 實(shí)驗(yàn)及分析

為了驗(yàn)證該加工方法的可靠性，在以上加工工藝及系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床對(duì)SUS630材料的噴絲板進(jìn)行底孔鉆孔加工。加工尺寸為:孔徑2.5 mm，深度20mm，孔底角度70°。加工樣品如圖6所示。

圖6 加工樣品剖視圖

取加工精度中最易產(chǎn)生誤差的加工孔深尺寸進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 加工孔深尺寸

可以看出，該工藝加工效果良好，將孔道的深度誤差控制在±0.01mm以?xún)?nèi)，且加工出的底孔表面粗糙度可達(dá)1.6，滿(mǎn)足噴絲板底孔加工的精度要求。

4 結(jié)論

本文針對(duì)噴絲板底孔加工工藝中出現(xiàn)的鉆屑堆積、刀具磨損、斷刀、加工精度一致性差等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)加工過(guò)程中的排屑、留低厚度、刀具在線觀測(cè)等方面進(jìn)行研發(fā)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一種全自動(dòng)噴絲板底孔加工機(jī)床及其相應(yīng)的加工工藝。首次提出并設(shè)計(jì)了通過(guò)采用中空主軸和數(shù)控走位來(lái)實(shí)現(xiàn)不銹鋼噴絲板中大批量、微小尺寸、大長(zhǎng)徑比、高精度盲孔的加工及鉆屑在線清理，應(yīng)用數(shù)字顯微鏡機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)刀具的在線觀測(cè)，增加底孔加工的質(zhì)量和效率。

實(shí)踐證明，該機(jī)床加工出的底孔表面粗糙度可達(dá)1.6，留底厚誤差在±0.01mm以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足了噴絲板底孔的精度要求，可用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，極大的提高了加工效率，實(shí)現(xiàn)了底孔加工的自動(dòng)化，推動(dòng)了細(xì)小深盲孔自動(dòng)化加工技術(shù)的發(fā)展。

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(編輯李秀敏)

Research of Key Techniques of Automatic Processing for Stainless Steel Deep Blind Hole with Minor Diameter

LI Si-ping，YANG Chong-chang
(School of Mechanical Engineering，Donghua University，Shanghai201620，China)

The hole of stainless steel spinneret has many characteristics，such as large number，high precision，micro size，large length-to-diameter ratio，blind hole and so on.In view of the above features，in order to implement the automatic machining，researched the key techniques of automatic processing for stainless steel small deep blind hole，and designed a kind of spinneret’s bottom hole automatic processing machine tool.Optimized traditional processing technology，added tool-measure device，used the method suspend by computer numerical control to ensure the consistency of processed depth;used hollow spindle and compressed air to implement online chip removal small deep blind hole;used digital microscope machine vision system to observe the tools online，reduced tool tipping，and improved the manufacturing efficiency.Practice shows，this technology break through the barrier of automatic processing for stainless steel small deep blind hole.The machine toolhas good machining accuracy，and can be used for industrialized production.

stainless steel;spinneret;high precision;small deep blind hole

TH162;TG527

A

1001－2265(2017)04－0122－03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.04.031

2016－08－16

李思平(1992—)，女，河南洛陽(yáng)人，東華大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與理論，(E－mail)lisipingde@163.com;通訊作者:楊崇倡(1966—)，男，江西贛州人，東華大學(xué)教授，博士，研究領(lǐng)域?yàn)楣鈾C(jī)電一體化，(E－mail)ycc@dhu.edu.cn。