郭德橋

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000)

0 引言

錐孔在機(jī)械零件中比較常見，一般是在數(shù)控車床上進(jìn)行加工，精度要求高的錐孔需要用合適的錐度鉸刀或在磨床上精加工完成。扭矩板是燃汽輪機(jī)上一個(gè)重要零件，形狀較復(fù)雜，如圖1 所示。材料為12Cr12，是難加工的不銹鋼材料。加工的關(guān)鍵是與偏心錐銷配合的高精度錐孔，如圖2 所示。錐孔的錐度為1:12，錐孔的大端尺寸為φ30 ±0.01mm，尺寸精度達(dá)IT6 級(jí)，表面粗糙度要求Ra1.6μm，由于零件精度要求高，且孔口尺寸無法直接檢測(cè)，加工難度較大。因此，在批量生產(chǎn)前應(yīng)對(duì)錐孔的加工和檢測(cè)方案進(jìn)行研究，以便提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量［1］。

1 錐孔數(shù)控加工方案設(shè)計(jì)

由于扭矩板前、后面是兩個(gè)同心不同半徑的弧形面，左右側(cè)面都是向心面，其延長(zhǎng)線通過前后弧形面的中心，零件形狀不便于在車床上用四爪卡盤裝夾。另外，由于錐孔孔徑較大，大端尺寸為φ30mm，也不適合用錐度鉸刀精加工完成。所以對(duì)于這類異形件上的大錐孔應(yīng)優(yōu)先選用數(shù)控加工中心進(jìn)行加工。其工藝路線是先用鉆頭預(yù)鉆出底孔，孔徑小于錐孔小端直徑，再用圓鼻刀粗銑錐孔，最后用有刀尖圓弧的整體硬質(zhì)合金立銑刀精銑完成。數(shù)控編程時(shí)如果用CAD/CAM 軟件需要先用CAD 進(jìn)行實(shí)體建模，再用CAM 完成程序，且使用圓鼻刀和立銑刀加工錐孔時(shí)需要生成不同的程序，影響生產(chǎn)效率［2］。所以應(yīng)該優(yōu)先利用宏程序進(jìn)行手工編程，在使用不同類型的刀具加工時(shí)只需修改一下刀具圓弧半徑變量值就可以進(jìn)行加工了，既簡(jiǎn)化了編程，也提高了效率。

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

銑錐孔常用的刀具有三種:圓鼻刀、立銑刀和球頭銑刀。其中平底立銑刀和球頭銑刀是圓鼻刀的兩個(gè)特例，刀具圓角半徑為0 時(shí)的圓鼻刀即為平底立銑刀，而刀具圓角半徑等于刀具直徑1/2 時(shí)的圓鼻刀即為球頭銑刀［3］。因此，以圓鼻刀銑削錐孔進(jìn)行加工分析，具有最佳的實(shí)用性和通用性［4］。圓鼻刀銑削錐孔的示意圖如圖3 所示，銑削孔口處的局部示意圖如圖4 所示。

圖1 扭矩板零件圖

圖2 錐孔簡(jiǎn)圖

圖3 圓鼻刀銑削錐孔示意圖

圖4 圓鼻刀銑削孔口處局部示意圖

錐孔的基本參數(shù):圓錐半角α(#10)或錐度C(1∶ #3)、錐孔大端直徑D(#1)、錐孔小端直徑d、錐孔深度H(#2)。圓鼻刀的基本參數(shù):刀具直徑d(#4)、刀具圓角半徑R(#5)，設(shè)Z 向下刀深度(#6)為自變量。根據(jù)錐度C=(D－d)/H，即1:#3 = (D－d )/H。通過三角函數(shù)計(jì)算各數(shù)據(jù)如下:

圓錐半角α(#10):

在三角形CAB 中:

銑削錐孔大端孔口處時(shí)，刀具端面中心P 點(diǎn)坐標(biāo):

刀具向下進(jìn)給一個(gè)Z 向增量ΔZ(#16)后，X 坐標(biāo)的變化值為:

切削到任意深度(#6)點(diǎn)時(shí)，P 點(diǎn)的坐標(biāo)為:

1.2 宏程序編制

加工“扭矩板”錐孔時(shí)，編程原點(diǎn)G54 設(shè)置在錐孔大端中心，下刀點(diǎn)選擇在錐孔中心的右下角，為減小接刀痕的影響，每層均在+X 處采用1/4 圓弧切入進(jìn)刀和1/4 圓弧切出退刀，以順銑方式(逆時(shí)針方向)單向走整圓，以等高方式逐層向下加工錐孔［5-6］。選用FANUC 0i 系統(tǒng)進(jìn)行編程，宏程序如下:

2 錐孔檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 專用錐度塞規(guī)的設(shè)計(jì)

扭矩板錐孔大端直徑φ30 ±0.01mm，為錐孔的錐面與上表面的交線構(gòu)成的圓，無法直接檢測(cè)，只能在停機(jī)狀態(tài)采用間接方法來實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。所以應(yīng)根據(jù)錐孔錐度、大端直徑、錐孔深度等錐孔基本參數(shù)設(shè)計(jì)如圖5 所示的1:12 專用錐度塞規(guī)，直徑E 為塞規(guī)大端實(shí)測(cè)尺寸，在φ31.75 ±0.05mm 范圍內(nèi)，D 為塞規(guī)大端基準(zhǔn)面B 到孔口上表面的距離。這樣就可將錐孔直徑的微量變化轉(zhuǎn)化為放大的軸向長(zhǎng)度D 來檢測(cè)，從而間接控制孔口直徑［7］。

圖5 1:12 錐度塞規(guī)

2.2 檢測(cè)及加工參數(shù)調(diào)整

測(cè)量時(shí)，先將錐度塞規(guī)插入到工件錐孔內(nèi)，使兩者錐面完全貼合，然后用深度千分尺測(cè)量錐度塞規(guī)基準(zhǔn)面B 到孔口上表面的距離D 值。由于錐孔錐度為1:12，在用圖5 所示的錐度塞規(guī)測(cè)量時(shí)，尺寸D =(E－30)* 12，若實(shí)測(cè)塞規(guī)大端制造時(shí)的尺寸E 為φ31.75mm，則D =(31.75－30)×12 =21mm，孔口直徑每減小0.01mm，測(cè)量尺寸D 值就會(huì)增大0.12mm。由于孔口大端直徑的上、下偏差為±0.01mm，所以，實(shí)測(cè)尺寸D 在21 ±0.12mm 范圍內(nèi)，錐孔大端尺寸即為合格。

根據(jù)這一規(guī)律，錐孔在半精加工和精加工時(shí)就不再用改變刀具半徑補(bǔ)償值的方法來控制孔口直徑，而是通過半精加工時(shí)增大坐標(biāo)系中Z 值，以留出錐孔精加工的余量，半精加工后測(cè)量錐度塞規(guī)基準(zhǔn)面B 到孔口上表面的距離D，D 值大了多少，坐標(biāo)系中Z 值就相應(yīng)減小多少做精加工，如圖6 所示，調(diào)整非常方便。最終使測(cè)量尺寸D 在21 ±0.12mm 范圍內(nèi)即保證了孔口大端直徑φ30 ±0.01mm。

圖6 加工參數(shù)調(diào)整圖

3 加工效果

零件試切時(shí)，選用兩臺(tái)不同的立式加工中心進(jìn)行加工(數(shù)控系統(tǒng)均為FUNAC 0i-MB)。粗加工刀具用φ16 的圓鼻刀(刀片圓角半徑R4)，精加工用φ20硬質(zhì)合金圓角立銑刀(刀尖圓角半徑R0.5)，精銑時(shí)轉(zhuǎn)速為3000 轉(zhuǎn)/min，進(jìn)給速度為800mm/min。雖然用的都是同一宏程序，切削參數(shù)也完全相同，但加工出的錐度卻有一定的差異。其中大連機(jī)床廠生產(chǎn)的VDL-850D 機(jī)床銑出的錐孔用著色法檢驗(yàn)錐度完全合格，而自貢長(zhǎng)征機(jī)床廠生產(chǎn)的KVC650 機(jī)床銑出的錐孔用錐度塞規(guī)檢驗(yàn)時(shí)，明顯感覺錐孔與塞規(guī)之間有間隙。經(jīng)分析，這種誤差主要是由于機(jī)床伺服系統(tǒng)跟隨誤差較大所引起的［8］。在錐孔逐層向下銑削時(shí)，刀具中心軌跡的整圓直徑逐漸減小。為了減小伺服系統(tǒng)跟隨誤差對(duì)加工圓弧輪廓的影響，編程時(shí)可以根據(jù)錐度逐漸減小銑削整圓的進(jìn)給速度。表達(dá)式為(1－Z 向下刀深度* 錐度* 0.1)* 進(jìn)給速度，即F［1－［#6/#3］* 0.1］* #15，所以，錐孔宏程序中銑整圓的具體程序改為:G03 I－#12 F［1－［#6/#3］* 0.1］* #15。經(jīng)過進(jìn)給速度的適當(dāng)調(diào)整后，加工出的錐孔都完全符合零件技術(shù)要求。

為了比較錐孔宏程序與自動(dòng)編程的加工效果，現(xiàn)選用CAD/CAM 功能強(qiáng)大的UG NX8.0 軟件，CAM中需設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)均與宏程序相同，試切時(shí)選用加工精度較高的VDL－850D 加工中心，結(jié)果兩種程序加工出的錐孔質(zhì)量基本相同，但宏程序節(jié)約了10%的走刀時(shí)間，而且在NC 文件占用機(jī)床內(nèi)存和程序傳輸時(shí)間上具有自動(dòng)編程不可比擬的優(yōu)勢(shì)［9］。兩程序的精加工比較如表1 所示。

表1 兩種編程方法的加工比較

4 結(jié)束語

合理的應(yīng)用宏程序可以達(dá)到一次編程多次利用的效果。在使用不同的銑孔刀具加工不同錐度、不同直徑的錐孔時(shí)，只需修改一下錐孔參數(shù)、刀具直徑、刀具圓弧半徑等變量值就可以進(jìn)行加工了，大大節(jié)約了程序傳輸時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率［10］。再根據(jù)錐孔基本參數(shù)設(shè)計(jì)合適的錐度塞規(guī)，檢測(cè)時(shí)可將錐孔直徑的微量變化轉(zhuǎn)化為放大的軸向長(zhǎng)度D 來檢測(cè)，從而降低了檢測(cè)和加工調(diào)整的難度，有效解決了高精度錐孔的加工與檢測(cè)難題，為企業(yè)提高了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。

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