高壓油管接管深孔圓度加工工藝參數(shù)優(yōu)化

龔玉玲，徐曉棟

（泰州學(xué)院 船舶與機電工程學(xué)院，泰州 225300）

0 引言

隨著精密制造技術(shù)的不斷發(fā)展，深孔加工廣泛用于精密機床、航空航天、汽車等高精密零件的制造中。槍鉆作為深孔加工刀具系統(tǒng)中的一種，具有排屑容易、密封方便等特點，主要用于小孔類深孔加工[1]。由于槍鉆采用V形刀桿結(jié)構(gòu)，加之鉆桿細長且中空，整體剛性較差，在加工過程中，鉆頭易產(chǎn)生扭曲和振動，造成深孔變形，圓度誤差增大。圓度是衡量實際圓對理想圓變動量的一個重要指標(biāo)，誤差值直接影響著零件的加工質(zhì)量和性能。因此研究深孔圓度的影響因素顯得尤為重要。

Mehrabadi等[2]研究阻尼和質(zhì)量偏心對刀具系統(tǒng)的影響，推導(dǎo)了刀具軌跡對圓度形貌的影響。Deng等[3]運用梁單元模型和切削力傅里葉函數(shù)，構(gòu)建了加工孔圓形形貌模型。申浩[4]等設(shè)計了三個導(dǎo)向塊的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，降低圓度變形形貌，提高圓度；孔令飛[5]等研究了受刀具振動特性影響的孔圓度形貌，從而對于圓度誤差進行有效預(yù)測。李超等[6]構(gòu)建刀具振動特征與深孔加工圓度誤差之間的映射模型，可以準(zhǔn)確計算較好的圓度誤差。然而目前對于深孔加工工藝參數(shù)，如切削速度、冷卻液油壓、進給速度等，對深孔圓度影響的研究較為缺乏，工程中上述參數(shù)的取值缺乏理論依據(jù)。本文采用雙目線結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)，運用最小二乘法檢測深孔圓度誤差，基于正交試驗設(shè)計，分析切削速度、冷卻液油壓和進給速度對圓度的影響規(guī)律，通過極差分析，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高深孔加工圓度精度。

1 雙目線結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)

雙目線結(jié)構(gòu)光測量作為一種高效、非接觸的先進檢測技術(shù)而被廣泛采用。測量系統(tǒng)包括激光發(fā)射器、雙目CCD攝像機、采集卡、計算機等，如圖1所示。

圖1 雙目線結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

雙目線結(jié)構(gòu)光測量原理是通過激光發(fā)射器發(fā)射激光束照射至待測表面，形成橢圓形的光束，雙目CCD攝像機獲得孔內(nèi)壁圖像，將信號傳輸至計算機，測量系統(tǒng)裝設(shè)位移傳感器，激光發(fā)射器隨著孔中心軸線方向自調(diào)節(jié)水平移動裝置運動，激光束逐步遍歷整個待測表面，雙目CCD攝像機接收到激光束的不同位置內(nèi)孔的截面圖像信息，將測量的所有數(shù)據(jù)信息通過圖形采集卡輸入計算機內(nèi)，通過數(shù)模轉(zhuǎn)化，將被測零件的圖像坐標(biāo)信息，轉(zhuǎn)化為實際目標(biāo)點坐標(biāo)。為了便于計算相對位姿，將上述坐標(biāo)系分別定義如下，即世界坐標(biāo)系為ΣW，其左右坐標(biāo)系內(nèi)點的分別為[Xwl，Ywl，Zwl，1]T，[XwT，Ywr，Zwr，1]T；圖像坐標(biāo)系為Σpl和Σpr，其坐標(biāo)系內(nèi)點的坐標(biāo)[ur，vr，1]T，[ur，vr，1]T，攝像機坐標(biāo)系為ΣCl，ΣCr，其坐標(biāo)系內(nèi)點的坐標(biāo)[Xl，Yl，Zl，1]T，[Xr，Yr，Zr，1]T。整個測量系統(tǒng)的關(guān)鍵就是將激光發(fā)射器發(fā)射的激光束獲得的圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成世界坐標(biāo)[7]。

圖2 雙目線結(jié)構(gòu)光測量坐標(biāo)系

1.1 圖像坐標(biāo)系與攝像機坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化

攝像機將采集的圖像信息輸入計算機，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將圖形信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息。采用小孔成像模型，則左邊圖像坐標(biāo)系內(nèi)的點和攝像機坐標(biāo)系內(nèi)的點的關(guān)系為：

同理右邊圖像坐標(biāo)系內(nèi)的點和攝像機坐標(biāo)系內(nèi)的點的關(guān)系為：

式(1)、式(2)中，M1l、M1r為像機內(nèi)參矩陣，fsl，fsr為攝像機的左、右焦距，sxl，syl，sxr，syr表示左、右像素在u，v兩個方向的物理尺寸，(u0l，v0l)，(u0r，v0r)為圖像中心點坐標(biāo)[8]。

1.2 攝像機坐標(biāo)系系與世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化

由于攝像機和物體可以變換位置，左邊攝像機坐標(biāo)系和測量物體所在的世界坐標(biāo)系，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)和平移，獲得兩個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系為：

同理右邊攝像機坐標(biāo)系和測量物體所在的世界坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化關(guān)系為：

式(3)、式(4)中，M2l、M2r為像機外參矩陣，Rl、Rr、Tl、Tr分別是左右兩個攝像機坐標(biāo)系相對世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣[9]。

1.3 圖像坐標(biāo)系與世界標(biāo)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化

由式(1)和式(3)聯(lián)立，可得左目圖像坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的關(guān)系：

同理，聯(lián)立式(2)和式(4)聯(lián)立，可得右目圖像坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的關(guān)系：

2 圓度測量原理

獲得的某一截面世界坐標(biāo)點集，取同一截面的數(shù)據(jù)點為(xi，yi，zi)(i=1，2，...，n)，zi為截面高度，令該截面的圓心為(x0，y0)，半徑為r0，由最小二乘法擬合圓：

由文獻[10]求解(x0，y0)，計算測量點(xi，yi)(i=1，2，...，n)到基準(zhǔn)圓心(x0，y0)的距離為：

其中Ri中取最大值Rimax和最小值Rimin，則圓度為：R=Rimax-Rimin。

3 正交試驗及數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗設(shè)備與工件

試驗機器采用德國TBT深孔鉆機床，如圖3所示；試驗加工零件為高壓油管接管，是高壓共軌系統(tǒng)中噴油器和高壓油管的連接件，其中心深孔直徑為，深度為40mm，材質(zhì)20CrMo，如圖4所示；加工刀具直徑為Φ4.252mm的TBT槍鉆，如圖5所示；冷卻方式采用高壓油冷，冷卻液選用長城M088。

圖3 TBT深孔鉆機床

圖4 高壓油管接管

圖5 槍鉆實物圖

采用雙目線結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)測量并計算各圓度值，具體結(jié)果如表5所示。繪制圓度隨因素變化趨勢圖，如圖6所示。

3.2 正交試驗

根據(jù)加工經(jīng)驗，切削速度選擇范圍為4000～6000r/min；進給速度選擇范圍為65～85mm/min；冷卻液油壓選擇范圍為8.5～14.5MPa。選擇3組試驗水平，進行三因素三水平正交試驗，試驗因數(shù)與水平如表1所示。

表1 正交試驗因數(shù)與水平

由圖6可知，圓度隨著切削速度、冷卻液油壓、進給速度的增加，總體趨勢為先逐漸變小，到達極值后開始增大。

圖6 圓度隨因素變化趨勢圖

切削速度的變化對圓度影響較大。當(dāng)切削速度較小時，機床的穩(wěn)定性較好，切削系統(tǒng)有輕微振動，加工孔表面質(zhì)量一般；隨著切削速度的增加，加工孔表面質(zhì)量變好，圓度誤差減?。磺邢魉俣冗M一步增加，機床的功率變大，機床的穩(wěn)定性降低，使得圓度誤差迅速增大。

進給速度變化對圓度影響較小。進給速度較小時，切屑厚度較小，塑性變形較大，切屑不易折斷，不利于切屑的排除，使得加工孔表面較粗糙；隨著進給速度的增大，切屑厚度隨著增加，切屑易于折斷，加工孔表面質(zhì)量提高，圓度減少；進給速度進一步增大，斷屑效果變差，加上刀具振幅加大，導(dǎo)致圓度增大。

冷卻液油壓變化對圓度影響一般。為了有效冷卻、潤滑槍鉆和工件，保證正常排屑，冷卻液液需要足夠大的壓力。當(dāng)油壓較小，切屑較難斷裂，容易出現(xiàn)淤積，加工表面質(zhì)量變差，而油壓太大，增大切削液對切削的沖擊力，切屑變短，排屑更快，但是切削液對槍鉆產(chǎn)生了附加荷載，由于槍鉆剛性較差，附加荷載使得槍鉆穩(wěn)定性降低[14]，切削變形明顯，粗糙度增大，圓度也增大。

3.3 極差分析

通過比較圓度極差的大小，可以判別出各加工工藝參數(shù)對圓度的影響程度，當(dāng)極差越大，表明該因素對結(jié)果的影響越大，反之，則越小。從表2中可以看到，三個參數(shù)的極差值中，切削速度的極差值最大，為0.748，可見切削速度對圓度影響較大；進給速度的極差值最小，為0.066，進給速度對圓度的影響最小。這一結(jié)果與趨勢圖（如圖6所示）反映的影響情況一致。選取各因素水平均值中的最小值，形成最優(yōu)工藝組合A2C2B2，即最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：切削速度5000r/min，冷卻液油壓11.5Mpa，進給速度75mm/min。

表2 正交試驗設(shè)計與極差分析

3.4 方差分析

用SAS軟件進行方差分析，分析結(jié)果見表3所示。從表中可見，切削速度、冷卻液油壓是顯著的（P＜0.05），進給速度不顯著（P＞0.05），影響程度由高到低依次是切削速度＞冷卻液油壓＞進給速度，與前面分析的一致。

表3 深孔鉆圓度方差分析

4 試驗驗證

為了檢驗正交試驗的優(yōu)化結(jié)果，根據(jù)最優(yōu)工藝參數(shù)，即切削速度5000r/min，冷卻液油壓11.5Mpa，進給速度75mm/min，進行高壓油管接管中心深孔加工試驗。加工完成后采用雙目線結(jié)構(gòu)光測量高壓油管接管深孔內(nèi)截面，計算深孔的圓度，做5個樣件，每次測量3次，取圓度的平均值。

表4 深孔加工最優(yōu)參數(shù)檢驗試驗結(jié)果

5 結(jié)語

本文運用雙目線結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)，實現(xiàn)了對高壓油管接管深孔圓度進行測量。通過試驗，得到的結(jié)論如下：

1）基于正交試驗設(shè)計，使用槍鉆加工高壓油管接管深孔，根據(jù)趨勢圖和方差分析可見，對圓度影響由強到弱的工藝參數(shù)是依次是切削速度、冷卻液油壓、進給速度，并求得最優(yōu)工藝組合為切削速度5000r/min，冷卻液油壓11.5Mpa，進給速度75mm/min。

2）優(yōu)化深孔加工工藝參數(shù)后，加工的深孔平均圓度為1.070，比正交試驗中最小圓度精度提高了4.0%。