趙 帥 楊崇倡 吳瑛戟

(①東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620;②真彩文具股份有限公司，江蘇 昆山 215343)

轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤是高精度筆頭多工位機(jī)床的分割回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，是整個(gè)機(jī)床的關(guān)鍵核心零件，其加工質(zhì)量直接影響著整機(jī)的性能、精度和壽命。精密多孔轉(zhuǎn)盤材料為球墨鑄鐵，屬于多孔盤類結(jié)構(gòu)件，其外形如圖1 所示。該工件加工精度要求很高，國內(nèi)多家企業(yè)和研究所曾立項(xiàng)研制，但精度并不能滿足使用要求，待進(jìn)一步提高。為此筆者經(jīng)過多次試驗(yàn)，提出了一套針對(duì)該工件的工藝方案，經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，完全達(dá)到了工件技術(shù)要求。

圖1 精密轉(zhuǎn)盤零件

1 工件結(jié)構(gòu)和加工難點(diǎn)

轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤工件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，該工件外廓尺寸大，轉(zhuǎn)盤臺(tái)面上孔的尺寸精度、形位精度的要求均很高，這是工件是否能加工成功最為關(guān)鍵的部分。工件孔徑尺寸精度為±5 μm，孔極半徑精度為0.015 mm，孔間極角精度為4″，圓度精度為8 μm，特別是孔間位置極角精度，經(jīng)弧長計(jì)算(圓心角極小，弦長約等于弧長)，精度在5 μm 左右，國內(nèi)普通機(jī)床難以達(dá)到這一要求。

圖2 轉(zhuǎn)盤工件簡圖

此外，由于工件厚度較薄，整體精度要求很高，若使用傳統(tǒng)夾具，裝夾時(shí)夾緊力過大，易導(dǎo)致工件發(fā)生塑性變形，影響工件的形位公差。

2 工件加工工藝的制訂

2.1 加工方式的選擇

根據(jù)轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和精度要求，工件關(guān)鍵工藝主要選用在雙立柱式坐標(biāo)鏜床上完成。該機(jī)床具有精密坐標(biāo)定位裝置，整體剛性很高，主要應(yīng)用在高精度孔徑、孔系工件的加工，也可用于銑削。

在單件、小批量生產(chǎn)中，通常采用坐標(biāo)法鏜孔，即通過機(jī)床縱、橫導(dǎo)軌移動(dòng)來調(diào)整工件與刀具的相對(duì)位置。用這種方法加工轉(zhuǎn)盤工件，加工效率低，且孔系間相對(duì)位置不易保證。若采用分度法加工，將工件安裝在機(jī)床的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，由轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)工件加工位置變化，這樣在加工兩孔的過程中，機(jī)床縱、橫導(dǎo)軌沒有產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，工件孔系間位置精度完全轉(zhuǎn)化為由回轉(zhuǎn)精度來保證，因此優(yōu)于坐標(biāo)法鏜孔。經(jīng)試驗(yàn)和對(duì)比，選用分度盤式的數(shù)顯轉(zhuǎn)臺(tái)，其分度精度可達(dá)2″，完全滿足孔系位置精度要求。

在轉(zhuǎn)臺(tái)操作前，應(yīng)注意以下兩點(diǎn):(1)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)精度影響最大的是工件軸線與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)軸線的重合度;(2)轉(zhuǎn)臺(tái)的分度精度取決于分度盤，也受轉(zhuǎn)臺(tái)主軸和分度盤同軸度影響。因此在加工前，一定要確保對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)檢測(cè)校正。

2.2 工件加工路線

按照基準(zhǔn)先行、先面后孔、先粗后精的原則，轉(zhuǎn)盤工件具體的工藝流程如圖3 所示。粗車工件內(nèi)外圓面，去除工件大部分加工余量;為后續(xù)工序作基準(zhǔn)，在車削后安排一道粗銑工序，采取一次走刀銑完;在坐標(biāo)鏜床的主軸錐孔上先安裝鉆夾頭，進(jìn)行鉆孔加工，再粗鏜各孔及凹槽;在粗加工結(jié)束后要安排一道檢驗(yàn)工序，檢查工件是否有裂紋、氣孔等缺陷，采用X 射線檢驗(yàn);自然時(shí)效處理，將工件放置室外半年時(shí)間，以消除加工過程產(chǎn)生的應(yīng)力;精車轉(zhuǎn)盤內(nèi)外圓表面，由于內(nèi)圓精度要求比外圓高，應(yīng)先以內(nèi)圓為基準(zhǔn)加工外圓，再以外圓為基準(zhǔn)加工內(nèi)圓;精銑轉(zhuǎn)盤上下端面，銑削余量在1 mm以內(nèi);半精鏜各孔及凹槽，預(yù)留加工余量應(yīng)控制在0.03 mm 以內(nèi);采用深冷處理工藝，以消除由于切削熱和切削力而引起的不穩(wěn)定組織，提高工件的尺寸精度和耐磨性;精鏜各孔及凹槽，最后一刀的單邊加工余量應(yīng)控制在0.01 mm以內(nèi)。

圖3 工件工藝流程圖

2.3 工件裝夾的選擇

考慮到夾具的夾緊力約束，工件裝夾方案采用液固兩相轉(zhuǎn)變性質(zhì)將工件固定。目前這類介質(zhì)主要有石蠟基、水基和低熔點(diǎn)合金3 種，石蠟基由于其固緊力小，主要應(yīng)用在切削用量極小的工件;水基主要應(yīng)用在有規(guī)則平面的工件上，但在低溫環(huán)境加工出的工件尺寸穩(wěn)定性差，不適用于精密制造;低熔點(diǎn)合金主要應(yīng)用于低剛性工件?；谝陨辖橘|(zhì)應(yīng)用范圍，在精加工環(huán)節(jié)采用蠟固夾具，為增大介質(zhì)粘結(jié)力，石蠟溶液中還添加了相當(dāng)比例的松香，裝夾方法如圖4 所示，裝夾固定后整個(gè)加工過程轉(zhuǎn)盤工件位置不變，提高了孔系和凹槽的同心度。工件以內(nèi)圓為定位基準(zhǔn)，先將已溶化的石蠟注入底面空腔，工件內(nèi)圓最后注入石蠟溶液，溶液冷卻前工件應(yīng)在夾具內(nèi)調(diào)整至正確位置。凸臺(tái)平板底面需要磨平，底面孔用于出氣，使石蠟溶液充滿整個(gè)夾具。由于介質(zhì)會(huì)因溫度升高而變軟，故加工過程中可稍作幾分鐘停留，以冷卻介質(zhì)。加工完成后，將夾具和工件浸入熱水中，即可分離石蠟介質(zhì)和工件。

圖4 工件裝夾示意圖

2.4 刀具材料、切削用量的選取

針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤工件高精度特點(diǎn)，在中加工和精加工中主要選用PCBN 和PCD 材料的刀具，如銑刀、鏜刀。這種超硬質(zhì)材料刀具廣泛應(yīng)用于高精密加工中，其具有高的耐磨性、良好的抗彎強(qiáng)度的特點(diǎn)，加工后工件表面的精度好，殘余應(yīng)力也相對(duì)穩(wěn)定。

轉(zhuǎn)盤切削用量的確定主要考慮加工表面質(zhì)量、刀具磨損以及加工成本，在轉(zhuǎn)盤切削工藝中，鏜孔切削用量是整個(gè)切削工藝用量的重點(diǎn)。粗鏜時(shí)應(yīng)采用較大的背吃刀量，以去除工件硬皮層，避免刀尖過早磨損，并配以較低的切削速度;精鏜和半精鏜因考慮表面質(zhì)量要求，采用較小的背吃刀量和進(jìn)給量，因此切削速度較大，同時(shí)避免產(chǎn)生積削瘤和鱗刺，具體參數(shù)見表1。

表1 鏜孔切削用量推薦表

圖5 轉(zhuǎn)盤Φ25 mm 孔極半徑分布

圖6 轉(zhuǎn)盤Φ25 mm 孔極角偏差

圖7 轉(zhuǎn)盤Φ25 mm 孔直徑分布

3 工件加工精度的檢測(cè)

為了獲取可靠檢測(cè)數(shù)據(jù)，采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)盤進(jìn)行測(cè)量，建立工件的極坐標(biāo)系，檢測(cè)各分項(xiàng)點(diǎn)，其檢測(cè)精度為(0.3 +1 000/L)μm，測(cè)量結(jié)果完全符合零件的設(shè)計(jì)使用要求。以轉(zhuǎn)盤臺(tái)面Φ25 mm 孔的測(cè)量結(jié)果為例，由圖5～8 可知，24 個(gè)孔的最小極半徑大于279.986 0 mm，極角精度偏差在±4″內(nèi)，孔徑上下偏差為mm，圓度誤差小于0.008 mm，其加工結(jié)果完全符合零件的加工設(shè)計(jì)要求。

圖8 轉(zhuǎn)盤Φ25 mm 孔圓度分布

4 結(jié)語

高精度旋轉(zhuǎn)圓盤是整個(gè)筆頭多工位機(jī)床加工精度的核心和保障，通過技術(shù)攻關(guān)，解決了加工設(shè)備、裝夾及切削用量等工藝問題，最終達(dá)到了高精密轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤的加工精度要求，滿足了轉(zhuǎn)盤單件小批量的應(yīng)用需求，為類似精密多孔轉(zhuǎn)盤零件加工提供一定的借鑒。

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