大型燕尾槽的加工與測量方法

范林琦 張金生 譚萬斌

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013)

收稿日期：2021-09-22

在抽水蓄能機(jī)組中，某關(guān)鍵零件上設(shè)計(jì)有線槽，磁極沖片安裝在線槽中。線槽主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是T型槽結(jié)構(gòu)，另外一種是燕尾槽結(jié)構(gòu)。由于燕尾槽結(jié)構(gòu)的線槽在穩(wěn)定性、剛性、抗疲勞、消除應(yīng)力集中等方面有明顯優(yōu)勢，將引領(lǐng)該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。燕尾槽斜面的角度公差小，平面度要求嚴(yán)格，相鄰槽的中心距公差小，尺寸的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，對(duì)尺寸公差和形位公差的控制和測量提出了更加嚴(yán)格的要求。本文對(duì)大型燕尾槽的加工與測量方法進(jìn)行了研究，通過分析燕尾槽型線構(gòu)成，合理分解型線加工步驟，通過設(shè)計(jì)的專用刀具實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型燕尾槽的精加工。綜合考慮測量誤差、讀數(shù)誤差等因素，設(shè)計(jì)了大型燕尾槽測量裝置，并提出了測量過程的標(biāo)準(zhǔn)化操作流程，實(shí)現(xiàn)了大型燕尾槽的精確測量。

1 技術(shù)指標(biāo)

以公司承制的某抽水蓄能機(jī)組零件為研究對(duì)象(如圖1所示)，燕尾槽斜面角度、斜面平面度和中心距測量是研究的重點(diǎn)，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1。

圖1 燕尾槽輪廓示意圖Figure 1 Dovetail groove outline diagram

表1 燕尾槽相關(guān)技術(shù)指標(biāo)Table 1 Related technical specificationsof dovetail groove

2 大型燕尾槽加工方法

如表1所示，燕尾槽角度公差±0.04°、平面度0.05 mm/m、粗糙度Rz16 μm，對(duì)于重型機(jī)械行業(yè)來說，以上技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)嚴(yán)格，特別是在精加工過程中極易出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，粗糙度、形位公差和尺寸公差都難以保證，對(duì)刀具的壽命和耐磨度也提出了更高的要求。

本文通過深入分析燕尾槽型線結(jié)構(gòu)，結(jié)合加工實(shí)際，提出了一套可行的解決方案，通過多種型號(hào)刀具實(shí)現(xiàn)了對(duì)燕尾槽的加工。加工方法分為三個(gè)主要部分：(1)通過不同規(guī)格的三面刃銑刀，從端部進(jìn)刀，將燕尾槽加工成臺(tái)階狀；(2)通過成型機(jī)夾式刀具對(duì)燕尾槽進(jìn)行半精加工，該階段燕尾槽初步成型，各面的加工余量控制在1～3 mm以內(nèi)；(3)通過焊接式成型刀對(duì)燕尾槽根部圓角進(jìn)行最終的精加工，最后使用焊接式成型刀將燕尾槽斜面及開口處圓角加工符圖。

燕尾槽的精加工刀具尤為重要，其直接關(guān)系到加工結(jié)果是否能夠滿足圖紙要求。本文精加工刀具的設(shè)計(jì)思路是：將燕尾槽關(guān)鍵輪廓分兩次進(jìn)行加工，即先加工根部的R30 mm符圖，再一次性加工斜面和開口處的R32 mm符圖，這樣既能精確控制斜面的加工精度，同時(shí)又解決了接刀的問題。精加工成型刀具設(shè)計(jì)要點(diǎn)有：(1)設(shè)計(jì)整體式刀柄，增強(qiáng)了刀具的剛性，最大限度地減小裝配誤差，保證角度公差；(2)刀刃采用8刃不等距分布結(jié)構(gòu)，保證加工效率，同時(shí)解決精加工過程中的振動(dòng)問題；(3)采用焊接進(jìn)口整體式硬質(zhì)合金的方案，極大地提高了刀具壽命，為一次完成全長4000 mm的燕尾槽斜面精加工提供了保證，解決了接刀的技術(shù)局限，同時(shí)有效地保證了粗糙度；(4)針對(duì)刀具壽命、刀具角度開展了大量的切削試驗(yàn)，為刀具角度控制提供了詳細(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)精加工過程中的換刀時(shí)機(jī)提供了科學(xué)依據(jù)。燕尾槽成型刀示意圖見圖2。

圖2 燕尾槽成型刀示意圖Figure 2 Schematic diagram of dovetail grooveforming knife

3 測量方法

燕尾槽的測量方法主要有三種：

(1)樣板比對(duì)法，即使用成型樣板進(jìn)行比對(duì)檢查，存在檢測誤差大、檢測項(xiàng)目不全面、難以實(shí)現(xiàn)精確測量，也無法準(zhǔn)確地測量燕尾槽的中心距。

(2)圓球或圓柱測量法，即選用兩種直徑不同的圓球或圓柱，根據(jù)兩次測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而得出燕尾槽的角度測量值。此種方法測量速度快、效率高，但由于圓球或圓柱與燕尾槽是線性接觸，測量誤差較大，并且在測量大尺寸燕尾槽時(shí)，通用的量具將會(huì)與燕尾槽發(fā)生干涉，對(duì)量具提出了極高的要求。

(3)角度尺測量法，此測量方法簡單、快捷，但測量誤差較大，且不能對(duì)燕尾槽斜面的平面度進(jìn)行檢測。

綜合以上分析，本文對(duì)測量方法進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了一種燕尾槽測量裝置，實(shí)現(xiàn)了燕尾槽的精確測量。

3.1 測量裝置結(jié)構(gòu)

從燕尾槽斜面角度測量、斜面平面度測量和燕尾槽中心距測量等三方面著手，本文研究設(shè)計(jì)了一種燕尾槽測量裝置，可實(shí)現(xiàn)燕尾槽上述三項(xiàng)指標(biāo)的精確測量，如圖3所示。

1—測量架 2—定位銷 3—測量柱 4—百分表5—百分表 6—百分表 7—百分表 8—百分表9—校對(duì)塊 10—定位塊 11—頂緊盤 12—壓緊塊圖3 燕尾槽測量裝置Figure 3 Dovetail groove measuring device

定位銷2通過螺釘固定在測量架1上，定位銷2的位置由兩個(gè)直角面確定；百分表4、百分表5、百分表6、百分表7、百分表8安裝在測量架上，并用壓緊塊12壓緊；校對(duì)塊9根據(jù)燕尾槽的理論尺寸準(zhǔn)確制作，誤差小于0.005 mm，定位塊10安裝在校對(duì)塊9上，起到定位的作用；測量柱3安裝在定位孔內(nèi)，定位孔的中心通過標(biāo)準(zhǔn)校對(duì)塊9斜面的延長線，用于測量相鄰燕尾槽的中心距。

校對(duì)時(shí)，先將百分表7、百分表8校準(zhǔn)，記錄百分表的示數(shù)；用標(biāo)準(zhǔn)校對(duì)塊校準(zhǔn)百分表4、百分表5、百分表6，校準(zhǔn)時(shí)，將校準(zhǔn)塊的直面與測量架1的直面貼合，通過百分表8的讀數(shù)觀察貼合情況，并用塞尺進(jìn)行復(fù)查；在定位塊10的限制下，將標(biāo)準(zhǔn)校對(duì)塊向百分表4、百分表5、百分表6移動(dòng)，直到接觸到定位銷2，記錄百分表4、百分表5、百分表6的示數(shù)。定位銷2、百分表4、百分表5、百分表6與測量架1的直面形成一個(gè)特定的形狀，這個(gè)形狀與燕尾槽的標(biāo)準(zhǔn)形狀一致。校對(duì)示意圖如圖4所示。

1—測量架 2—定位銷 3—測量柱 4—百分表5—百分表 6—百分表 7—百分表 8—百分表9—校對(duì)塊 10—定位塊 11—頂緊盤 12—壓緊塊圖4 測量裝置校對(duì)示意圖Figure 4 Calibration diagram of measuring device

測量時(shí)將燕尾槽測量裝置從燕尾槽的一端放入，用頂緊盤11固定燕尾槽測量裝置。在燕尾槽斜面還有余量的情況下，可通過百分表6直接讀出斜面的加工余量，從而準(zhǔn)確地指導(dǎo)加工過程。在燕尾槽加工完畢后，由百分表4、百分表5的示數(shù)，可以準(zhǔn)確讀出斜面的角度誤差，角度測量精度達(dá)到0.016°。將燕尾槽測量裝置沿燕尾槽軸向移動(dòng)，根據(jù)百分表4、百分表5、百分表6的讀數(shù)，可準(zhǔn)確測量斜面的平面度。

在兩個(gè)燕尾槽內(nèi)分別各安裝一個(gè)燕尾槽測量裝置，使用千分尺測量測量柱3之間的距離，可準(zhǔn)確測量出兩個(gè)燕尾槽的中心距，此項(xiàng)測量功能對(duì)于多個(gè)或多組燕尾槽的相互位置關(guān)系的控制十分有效。

3.2 測量規(guī)范

如前面所述，燕尾槽測量裝置可實(shí)現(xiàn)斜面角度、斜面平面度和燕尾槽中心距等三項(xiàng)重要指標(biāo)的精確測量，但在測量過程中應(yīng)遵循測量規(guī)范，盡可能地減小測量的誤差。測量步驟及規(guī)范如下：

(1)將工件待檢測面、百分表表頭、測量裝置接觸面、標(biāo)準(zhǔn)校對(duì)塊等擦拭干凈，為精確測量創(chuàng)造基礎(chǔ)條件；

(2)固定百分表時(shí)應(yīng)施加適當(dāng)?shù)膲毫?，以百分表不出現(xiàn)位移，且百分表表?xiàng)U不變形為準(zhǔn)；

(3)用標(biāo)準(zhǔn)塊校對(duì)測量裝置時(shí)，次數(shù)不少于2次；

(4)測量裝置放入燕尾槽時(shí)，應(yīng)防止碰撞，避免測量裝置變形而產(chǎn)生誤差；

(5)通過百分表顯示確定測量裝置放置在了正確的位置，可通過透光檢查、塞尺檢查等手段進(jìn)行復(fù)核；

(6)及時(shí)準(zhǔn)確地讀取各百分表的讀數(shù)并記錄；

(7)測量完畢后，再次用標(biāo)準(zhǔn)塊校對(duì)測量裝置，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.3 測量誤差分析

設(shè)計(jì)的燕尾槽測量裝置解決了燕尾槽精確測量的難題，彌補(bǔ)了常規(guī)測量方法的不足之處，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燕尾槽的精確測量。通過激光跟蹤儀、數(shù)控機(jī)床打表、專用樣板比對(duì)等方法對(duì)燕尾槽的角度、平面度、中心距等三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證，使用燕尾槽測量裝置所控制的燕尾槽精度完全滿足圖紙要求，通過裝置中的百分表可以準(zhǔn)確讀出斜面的角度誤差，角度測量精度達(dá)到0.016°。

4 結(jié)語

通過對(duì)燕尾槽關(guān)鍵輪廓進(jìn)行合理分解，設(shè)計(jì)的燕尾槽系列刀具實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型燕尾槽的精加工。結(jié)合常規(guī)的測量方法，通過深入分析燕尾槽測量要素，設(shè)計(jì)的燕尾槽測量裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)燕尾槽的精確測量，測量精度達(dá)到了0.01 mm和0.016°的高指標(biāo)要求。制定的測量規(guī)范將測量誤差控制在允許范圍內(nèi)，為保證測量精度奠定了基礎(chǔ)。