在位測(cè)量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子中心孔加工位置精度的研究

關(guān)惠予,張遼遠(yuǎn),趙書(shū)劍

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110159)

現(xiàn)代航空、航天、兵器等國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域的許多重要零件為薄壁結(jié)構(gòu),并且具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件精度要求高的特點(diǎn)[1],在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用,大到汽車和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件、大型輪船上的部件以及工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的部件,小到慣性元件的框架結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)等都是薄壁回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu),其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防中占有很大的比重[2]。薄壁回轉(zhuǎn)體的制造精度有著嚴(yán)格的要求,能夠?qū)Ρ”诨剞D(zhuǎn)體進(jìn)行精密測(cè)量是確保薄壁回轉(zhuǎn)體制造精度的有效手段[3]。轉(zhuǎn)子常以中心孔與軸配合進(jìn)行定位,孔的位置直接影響轉(zhuǎn)子的安裝精度、機(jī)器的使用壽命[4]以及能耗等。為保證轉(zhuǎn)子能最大程度的發(fā)揮使用性能,精準(zhǔn)的確定中心孔的加工位置成為加工過(guò)程中尤為重要的一步。本文以在位測(cè)量方法研究磁性轉(zhuǎn)子中心孔的加工位置精度。

1 零件分析

1.1 轉(zhuǎn)子的材料分析

工件為磁性轉(zhuǎn)子,體積小、壁薄、機(jī)械強(qiáng)度高、尺寸精度高、形狀復(fù)雜、性能穩(wěn)定,具有良好韌性,并可嵌入金屬件及塑料件等優(yōu)勢(shì)。轉(zhuǎn)子的材料是內(nèi)含聚醚醚酮(PEEK)樹(shù)脂的新型復(fù)合磁性材料,多極充磁。聚醚醚酮具有優(yōu)良的綜合性能,在許多特殊領(lǐng)域可以替代金屬、陶瓷等傳統(tǒng)材料;其耐高溫、自潤(rùn)滑、抗疲勞等特性,使之成為當(dāng)今最熱門(mén)的高性能工程塑料之一,主要應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、電子電氣和醫(yī)療器械等領(lǐng)域[5]。

1.2 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分析

圖1為轉(zhuǎn)子注塑毛坯件,輪廓無(wú)定位基準(zhǔn),葉片方向尺寸略大;外輪廓使用外徑千分尺測(cè)量,垂直于軸線截面尺寸,外圓直徑誤差為0.05mm左右。轉(zhuǎn)子自帶φ3孔,但位置精度不能保證。

圖1 轉(zhuǎn)子的外部輪廓

1.3 轉(zhuǎn)子的加工要求

轉(zhuǎn)子加工要求高,要求將標(biāo)準(zhǔn)軸插入中心孔;以軸中心作為轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)中心時(shí),轉(zhuǎn)子外輪廓圓跳動(dòng)在0.03mm以內(nèi),中心孔尺寸在φ3.985～ 3.995mm之間。

2 在位測(cè)量

本實(shí)驗(yàn)均采用在位測(cè)量方法進(jìn)行中心小孔位置的確定及加工,在不拆卸工件的情況下對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于回轉(zhuǎn)類零件的測(cè)量,用離線法測(cè)量時(shí),工件需要在加工設(shè)備和測(cè)量設(shè)備之間來(lái)回轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致加工時(shí)的定位基準(zhǔn)與檢測(cè)時(shí)的基準(zhǔn)不重合,工件上定位基準(zhǔn)的制造誤差所造成的定位基準(zhǔn)位移[6]等以及返修調(diào)整時(shí)再次裝夾所產(chǎn)生的誤差都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在位測(cè)量可免除離線檢測(cè)由于定位基準(zhǔn)所帶來(lái)的誤差[7],因此在位測(cè)量結(jié)果更接近于實(shí)際加工情況。在位測(cè)量技術(shù)是回轉(zhuǎn)類零件機(jī)械加工發(fā)展的必然趨勢(shì),特別是小批量生產(chǎn)的高精度回轉(zhuǎn)類零件,該類零件的測(cè)量技術(shù)是關(guān)乎其生產(chǎn)質(zhì)量的重大關(guān)鍵性技術(shù),對(duì)檢測(cè)精度和效率的要求也越來(lái)越高[8]。

3 工件的定位方法

該磁性轉(zhuǎn)子壁薄,質(zhì)軟,易碎,受壓受熱易變形,選用三爪卡盤(pán)以外輪廓定位時(shí),在集中力的作用下,轉(zhuǎn)子受力發(fā)生形變,距卡爪60°位置變形最大,變形位置向外突出,一旦松開(kāi)卡爪,轉(zhuǎn)子彈性恢復(fù),使內(nèi)孔變成三棱形,不利于保證孔位置精度[9]。圖2為三爪卡盤(pán)定位時(shí),零件夾緊變形示意圖。

圖2 零件夾緊變形

將集中力改為均布力,外圓夾緊仍易變形,因此選擇以工件內(nèi)孔定位工件,均布力分布如圖3a所示。定位心軸與轉(zhuǎn)子內(nèi)孔采用過(guò)盈緊配合時(shí),心軸在工件安裝與拆卸過(guò)程中易劃傷工件內(nèi)壁;心軸尺寸過(guò)大導(dǎo)致零件變形,加工后零件回縮,引起中心位置發(fā)生變化、孔的形狀誤差等,降低工件質(zhì)量。因此定位心軸與轉(zhuǎn)子內(nèi)孔采用過(guò)渡配合。經(jīng)實(shí)際工件測(cè)量,內(nèi)孔尺寸為φ34.32～34.33mm。設(shè)計(jì)心軸時(shí)加工的實(shí)際尺寸與毛坯內(nèi)孔表面不能完全重合,心軸局部尺寸大于內(nèi)孔尺寸,導(dǎo)致工件與心軸配合時(shí)工件傾斜。因此心軸采用階梯軸,中部尺寸小于工件內(nèi)孔,工作部分兩端起定位作用。

考慮到以上因素影響,心軸材料選用鋁,定位部分尺寸為φ34.325mm,頂端有2×45°的倒角,心軸上端面中心加工一個(gè)φ5mm的孔,目的是為儲(chǔ)存加工時(shí)的斷屑,防止斷屑堆積影響加工效果。圖3b為轉(zhuǎn)子、心軸、卡盤(pán)安裝示意圖。安裝時(shí)心軸與轉(zhuǎn)子固定在卡盤(pán)上,便于加工。

圖3 工件定位示意圖

4 中心孔的加工方法

本實(shí)驗(yàn)中心孔加工采用DMU50五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床。加工方法采用銑和鉸;由于材料的受熱膨脹,加工刀具選用需大于孔要求尺寸,因此選用φ3.99mm Sandvik兩刃的硬質(zhì)合金圓柱銑刀,轉(zhuǎn)速1200r/min,進(jìn)給速度為50mm/min;φ4.0mm的直刃硬質(zhì)合金直柄鉸刀,轉(zhuǎn)速400r/min,進(jìn)給速度為20mm/min。圖4為實(shí)際加工示意圖。

圖4 加工示意圖

加工后小孔尺寸在φ3.99～3.995mm,加工表面光亮,符合加工要求。

5 中心孔定位方法

5.1 轉(zhuǎn)臺(tái)式

轉(zhuǎn)臺(tái)式保證千分表固定不動(dòng),工件繞軸線進(jìn)行回轉(zhuǎn)。將心軸與工件固定在CNC分度盤(pán)上,分度盤(pán)回轉(zhuǎn)誤差為0.018mm。轉(zhuǎn)動(dòng)分度盤(pán),對(duì)轉(zhuǎn)子垂直軸線的某一截面外表面進(jìn)行圓跳動(dòng)測(cè)量,選取外輪廓均勻分布的點(diǎn)進(jìn)行記錄,標(biāo)注最大跳動(dòng)量所在方向及最大跳動(dòng)的垂直方向,以兩個(gè)方向的中點(diǎn)作為中心孔的位置。轉(zhuǎn)臺(tái)式測(cè)量原理如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)臺(tái)式原理圖

測(cè)量時(shí),以工件X負(fù)方向測(cè)量點(diǎn)的橫坐標(biāo)作為X方向原點(diǎn),Y負(fù)方向測(cè)量點(diǎn)的縱坐標(biāo)作為Y方向原點(diǎn)。表1為轉(zhuǎn)臺(tái)式測(cè)量的轉(zhuǎn)子中心點(diǎn)坐標(biāo)及加工后轉(zhuǎn)子的外圓徑向跳動(dòng)量。

表1 轉(zhuǎn)臺(tái)式 mm

根據(jù)表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,轉(zhuǎn)臺(tái)法確定轉(zhuǎn)子中心坐標(biāo)變化較大,且加工后外圓跳動(dòng)數(shù)值不穩(wěn)定,部分試件超差。轉(zhuǎn)臺(tái)法在一定程度上減小了中心孔與該截面輪廓的徑向跳動(dòng),但此方法具有很大的局限性,受多種誤差影響精度;測(cè)量以外圓為基準(zhǔn),外圓與內(nèi)孔存在偏心誤差;內(nèi)孔與心軸存在安裝誤差;心軸與分度盤(pán)回轉(zhuǎn)中心存在偏心誤差;以及分度盤(pán)自身存在回轉(zhuǎn)誤差;且不排除工件輪廓尺寸局部變化過(guò)大所帶來(lái)的隨機(jī)誤差;以及中心孔加工時(shí)的加工誤差。多種誤差疊加,很難保證加工的位置精度,加工后的工件部分超差,加工結(jié)果比較隨機(jī)。

5.2 轉(zhuǎn)軸式

轉(zhuǎn)軸式保證工件不動(dòng),千分表隨機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)繞工件轉(zhuǎn)動(dòng)。這種方法是利用普通轉(zhuǎn)軸式精密圓度儀的工作原理確定加工位置,其主要原理是忽略孔加工時(shí)刀具擺動(dòng)帶來(lái)的誤差,主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)工件打表正是模擬工件加工后檢測(cè)外圓跳動(dòng)保證在0.03mm以內(nèi)。

測(cè)量時(shí),調(diào)節(jié)主軸X、Y向位置,保證主軸旋轉(zhuǎn)一周,工件該截面圓跳動(dòng)在規(guī)定的誤差范圍(0.03mm)之內(nèi),此時(shí)主軸位置即為中心孔的加工位置。轉(zhuǎn)軸式測(cè)量原理如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)軸式原理圖

表2為轉(zhuǎn)軸式加工前后同一截面轉(zhuǎn)子外圓徑向跳動(dòng)量。

表2 轉(zhuǎn)軸式 mm

根據(jù)表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得:加工后由于加工機(jī)床主軸存在回轉(zhuǎn)誤差,因此加工后外圓跳動(dòng)略大于加工前,加工試件均達(dá)到加工要求。相對(duì)于5.1方法,此方法的優(yōu)點(diǎn)是:機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)精度較高,不受表面形狀復(fù)雜程度和工件安裝誤差的影響,導(dǎo)致加工出的中心孔位置精度更高,在一定程度上減小誤差復(fù)映;測(cè)量步驟簡(jiǎn)單,不需要采集儀器及數(shù)據(jù)軟件計(jì)算的配合。缺點(diǎn)是:雖然能保證中心孔的位置在要求范圍內(nèi),但手動(dòng)調(diào)整所用時(shí)間長(zhǎng),中心孔的位置在范圍內(nèi)相對(duì)隨機(jī),無(wú)法確定孔的最優(yōu)位置。

5.3 最小二乘法(LSM)

圓度誤差是指在回轉(zhuǎn)體同一橫截面內(nèi)被測(cè)實(shí)際圓對(duì)其理想圓的變動(dòng)量,是檢測(cè)圓柱度、同軸度等其他誤差的基礎(chǔ);其誤差值大小直接影響回轉(zhuǎn)體零件的互換性、裝配精度、回轉(zhuǎn)精度等,是保證零件質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[10]。

最小二乘法是圓度誤差評(píng)定方法中使用最普遍的一種,其理論較成熟,精度也較高[11]。利用最小二乘法可以簡(jiǎn)便地求得未知的數(shù)據(jù),并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小[12],因此可以利用最小二乘圓的圓心作為加工孔的位置。主要判定方式如圖7所示。O為工件實(shí)際輪廓原點(diǎn),O′為最小二乘法的圓心,R為最小二乘圓半徑。

圖7 最小二乘法原理圖

由于e<

εi=ri-R-ecos(θi-φ)

(1)

式中:εi為Pi到最小二乘圓的徑向偏差。

(2)

(3)

O′保證距工件輪廓各點(diǎn)的平方和最小,因此可以作為加工中心孔的位置。

利用測(cè)微計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,本文選用的測(cè)微計(jì)型號(hào)為CW-341,顯示盒型號(hào)為5011-002。測(cè)微針?lè)直媛蔬_(dá)到1μm,重復(fù)定位精度1μm,精度高,定位準(zhǔn)確,可以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性,符合實(shí)驗(yàn)要求。將測(cè)微計(jì)測(cè)頭安放在測(cè)量架上,轉(zhuǎn)子在微調(diào)系統(tǒng)的支配下安放在確定的位置隨精密轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)(精密回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)視為理想圓)。將測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)最小二乘法計(jì)算,把計(jì)算的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綑C(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)中,控制機(jī)床主軸的加工位置,實(shí)現(xiàn)測(cè)量—定位—加工一體化。測(cè)微計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)子外輪廓裝置如圖8所示。

圖8 測(cè)微計(jì)測(cè)量裝置

利用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法圓的擬合,為保證較高的重復(fù)精度,采取多圈采樣,本實(shí)驗(yàn)采取圈數(shù)為5,S為圓度誤差,最小二乘圓圓心坐標(biāo)(a,b),并 取5次測(cè)量的平均值作為加工位置的機(jī)床坐標(biāo)。表3～表5為3個(gè)轉(zhuǎn)子試件5圈采集的數(shù)據(jù),通過(guò)最小二乘法求得的最小二乘圓圓心坐標(biāo)及圓度誤差。

根據(jù)表3～表5數(shù)據(jù)求得每個(gè)試件的五組最小二乘圓圓心坐標(biāo)和圓度誤差值,分別對(duì)五組數(shù)據(jù)求平均值,將圓心坐標(biāo)的平均值作為加工時(shí)的機(jī)床加工位置坐標(biāo)。由于機(jī)床坐標(biāo)精確至0.001,因此求得坐標(biāo)值保留小數(shù)點(diǎn)后三位。

表3 轉(zhuǎn)子1 mm

表4 轉(zhuǎn)子2 mm

表5 轉(zhuǎn)子3 mm

表6為3個(gè)轉(zhuǎn)子加工位置坐標(biāo)及加工后的外圓跳動(dòng)。

表6 最小二乘法 mm

根據(jù)表6實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:加工后的轉(zhuǎn)子外圓跳動(dòng)均達(dá)到加工要求,且跳動(dòng)范圍相對(duì)穩(wěn)定,證明最小二乘法確定轉(zhuǎn)子中心孔位置精度更高。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比顯示,加工后外圓跳動(dòng)量略大于最小二乘法求得的圓度誤差平均值,誤差主要取決于(1)精密的測(cè)量?jī)x器精度與加工機(jī)床精度不同,加工時(shí),機(jī)床定位坐標(biāo)精度低于測(cè)量計(jì)算時(shí)的精度,導(dǎo)致實(shí)際加工位置與理論位置有偏差;(2)加工時(shí),機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度、刀具安裝的垂直精度、加工過(guò)程中產(chǎn)生震動(dòng)等,都會(huì)導(dǎo)致加工孔的位置與計(jì)算位置出現(xiàn)偏移誤差;(3)檢測(cè)方法不同,圓度誤差采用精密儀器精確測(cè)量,加工后轉(zhuǎn)子外圓跳動(dòng)采用千分表測(cè)量,手動(dòng)測(cè)量產(chǎn)生誤差。

加工后,轉(zhuǎn)子外圓跳動(dòng)符合加工要求,且孔的位置精度更高,同一批次轉(zhuǎn)子加工后外圓跳動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定。

6 軸向傾斜誤差分析

安裝時(shí),轉(zhuǎn)子軸線與工作臺(tái)不垂直,設(shè)軸線與垂直方向的夾角為α。測(cè)量時(shí),由于軸線的傾斜,垂直于回轉(zhuǎn)軸線的橫截面為一橢圓,其長(zhǎng)軸為D′,轉(zhuǎn)子的直徑為D。由圖9可知

D′=Dsecα

(4)

產(chǎn)生的直徑誤差f為

fmax=D′-D=D(secα-1)

(5)

圖9 轉(zhuǎn)子軸線傾斜示意圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)量,轉(zhuǎn)子直徑D在φ42.25～ 42.40mm之間,轉(zhuǎn)子軸向垂直跳動(dòng)不超過(guò)0.03mm,轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度約21mm。

安裝傾斜角α不超過(guò)0.082°。將D=42.4、α=0.082代入公式(5)得

f=0.000041

故軸向傾斜誤差影響很小,實(shí)驗(yàn)中可以忽略。

7 結(jié)論

通過(guò)夾具的設(shè)計(jì)、工件的調(diào)整、定位方法的選擇及誤差分析,保證了磁性轉(zhuǎn)子孔的位置精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)合了傳統(tǒng)打表的方法、測(cè)微計(jì)數(shù)據(jù)采集、圓度誤差分析等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:轉(zhuǎn)軸法和最小二乘法能有效保證中心孔的加工精度。實(shí)驗(yàn)條件允許的條件下,最小二乘法的精度更高。在工廠或?qū)嶒?yàn)條件不足的情況下,轉(zhuǎn)軸法可用作代替測(cè)微計(jì)進(jìn)行工件中心位置的確定。