高　原，王曉兵，趙　凱，鄭　練，彭光宇

(1.中國兵器工業(yè)新技術推廣研究所，北京 100089；2.湖北三江航天險峰電子信息有限公司，湖北 孝感 432100)

大型深盲孔在線檢測與自適應加工技術應用研究

高原1，王曉兵2，趙凱2，鄭練1，彭光宇1

(1.中國兵器工業(yè)新技術推廣研究所，北京 100089；2.湖北三江航天險峰電子信息有限公司，湖北 孝感 432100)

摘要：針對大型復雜深盲孔零件加工與檢測難題，通過氣動快速換刀裝置的創(chuàng)新設計，實現測頭及刀體的精密快速裝夾轉換，并在此基礎上，系統(tǒng)研究了數控系統(tǒng)數據結構算法和測頭宏程序機理，摸索出了一整套大型復雜深盲孔零件在線檢測自適應加工方案，解決了因為刀具磨損、機床主軸跳動等原因而造成的加工誤差，從而達到了該類型零件高質高效加工的目的。

關鍵詞：在線檢測；自適應加工；換刀裝置

大型復雜深盲孔零件的加工一直是機械加工領域公認的技術難題。本文以典型彈體產品零件為研究對象，通過對測頭宏程序、數控系統(tǒng)宏變量的研究，結合工裝創(chuàng)新設計，從在線檢測和自適應加工的角度尋求解決該難題的方法，并進行加工應用。

1深盲孔加工中存在的主要工藝問題

根據生產加工實際，梳理了深盲孔加工中存在的問題，主要集中在下述2個方面。

1)大型深盲孔加工時內孔精度檢測問題。采用模擬量規(guī)定性檢測或破壞性檢測無法快速準確地對彈體零件內腔進行定量檢測，也不能對現場加工中的刀具參數進行實時調整，極大地影響了深孔內腔加工檢驗。隨著型號任務的發(fā)展，型號產品的殼體口徑與長度尺寸越來越大，部分殼體采用的還是口小肚大的設計結構，采用模擬量規(guī)的方式已完全不能解決測量問題。某型號產品殼體如圖1所示，其內腔采用口小肚大的設計結構，并且前部截面為圓弧與錐度曲線，車削加工完畢后，無法直接準確地檢測內腔尺寸，首件加工后采用破壞性檢測，將殼體用線切割沿軸向切為兩部分后，在三坐標測量機上進行內腔尺寸測量，然后根據檢測數據指導后續(xù)零件的生產。這種檢測方法不僅增加了生產成本，還延長了生產周期，質量也無法保證，如何準確在線測量殼體內腔的尺寸成為迫切需要解決的問題。

圖1　某殼體剖面圖

2)大型深盲孔車削加工時內孔精度控制問題。在企業(yè)生產實際中，多種大型殼體的材料為30CrMnSiNi2A，精加工時零件材料為調質狀態(tài)，硬度為28～32或38～42 HRC。精加工過程中，刀具切削軌跡較長，由于刀具磨損、讓刀加劇等原因，加工時的尺寸誤差逐漸加大，使零件最終的尺寸精度很難保證。

2采用的技術途徑、方法和解決的關鍵工藝難題

根據上述情況，本研究設計如下解決方案：1)通過在車床深盲孔加工專用刀桿上創(chuàng)新設計氣動快換機構，快速完成檢測和各種刀具的快速轉換，保證各種刀柄定位高精度，滿足加工和檢測各種復雜的深盲孔內腔的要求；2)通過專用工件檢測設備(雷尼紹測頭)探觸深孔內壁特征曲線關鍵點，將檢測到的坐標值反饋給機床數控系統(tǒng)，然后通過開發(fā)宏程序進行自動運算修改半精加工和精加工軌跡，對各種誤差造成的零件誤差進行自適應補償，保證零件深盲孔精加工精度。

根據上述方案的思路，界定了本研究需要解決的3個主要問題：1)測頭和各種車刀體定位安裝和快速轉換機構的設計問題；2)內腔尺寸的檢測計算問題；3)深盲孔加工精度的控制問題。

2.1測頭和各種車刀體定位安裝和快速轉換解決方案

對于大型深盲孔加工，為解決在普通數控車床上的加工問題，設計了專用刀桿(見圖2)。其中，配重體能夠保證刀桿在托板上平衡受力；刀桿能夠滿足快換機構的裝卸和加工檢測需要；支座被安裝在機床托板上，起到支承刀桿的作用；氣動快換機構用于工件深盲孔的在線檢測和加工，能夠滿足各種刀具和檢測裝置的快速轉換。刀頭外形經過三維裝配模擬及優(yōu)化設計，確保其在加工深盲孔時不會與工件發(fā)生干涉，自制鏜刀桿通過鏜刀座固定在車床中拖板上，通過刀具轉換系統(tǒng)完成各種刀具和測頭的快速轉換。

圖2　深盲孔加工專用刀桿示意圖

以往的刀桿頭部設計比較簡單，通過在桿體頭部開槽，采用螺釘緊固的方式夾持刀體。這樣的結構設計存在2個缺陷：1)刀體、刀片換裝不方便；2)刀體重復定位精度不高，每更換一次均需要重新對刀找正。為此，應用3項創(chuàng)新設計改良設計了氣動快換機構，其具體結構如圖3所示。

圖3　氣動快換機構結構圖

2.1.1刀柄結構設計

以往的深盲孔加工專用刀桿，在刀桿前部開方形通槽，將刀體嵌入后采用螺釘緊固。從圖3可以看到，筆者將銑削加工中心常用的BT40刀柄結構移植到了專用刀桿上。此創(chuàng)新設計的突出特點是：1)沿襲了銑削加工中心刀柄系統(tǒng)的優(yōu)點，技術成熟，刀具夾持更加穩(wěn)定；2)該機構采用錐體與錐孔配合形成精密定位，裝夾精度更高，且重復精度保持好；3)銑削加工中心的BT40刀柄完全可應用于專用刀桿，降本增效；4)可按照刀具標準設計相應的刀座模塊，換裝方便快捷；5)該結構的設計還應用了銑刀刀具內冷技術，通過刀柄中空設計，使冷卻液從刀桿內部直達切削部位，輕松解決了深盲孔加工的冷卻難題。

2.1.2氣動控制系統(tǒng)設計

對于BT40刀柄結構，不能采用簡單的螺釘緊固方式，受到專用刀桿外形和加工實際等因素的影響，加上銑削加工中心刀柄系統(tǒng)的氣動控制結構過于復雜，單純將其照搬也不現實。筆者根據專用刀桿的結構特點，對BT40刀柄的夾持機理進行了認真分析，設計了新的氣動控制系統(tǒng)。該氣動控制系統(tǒng)的原理如圖4所示。

圖4　氣動控制系統(tǒng)原理圖

加工工件時，手工將各種刀座插入到夾具體內。氣缸形成氣壓回路?？刂茡Q氣閥開關，進氣嘴A進氣，活塞向右移動，將刀座鎖死。加工完成后，控制換氣閥開關，進氣嘴B進氣，活塞向左移，刀座軸向被解鎖，刀具即可取下。再安裝不同的刀具，完成整個零件的加工。新型氣動控制系統(tǒng)的設計結構簡單，控制方便，安全可靠。

2.1.3檢測機構設計

氣動快換機構安裝測頭的狀態(tài)示意圖如圖5所示，該裝置與圖3所示的刀體安裝示意圖不同的地方就是將刀座換成了檢測機構。該檢測機構的核心部件是測頭，由于深盲孔內光學測頭和無線電測頭有其局限性，筆者選用了有線測頭MP250。由于檢測裝置有著比刀具刀座更高的要求，筆者有針對性地做了兩項細節(jié)設計：1)設計了MP250測頭信號線連接觸頭，將檢測裝置插入刀體內，由標準的錐體與錐孔配合形成精密定位，并且在汽缸作用拉緊刀座的同時，測頭信號線通過刀座和刀體上的彈性觸頭導通，測頭處于工作狀態(tài)；2)設計了調節(jié)升降旋鈕及鎖死螺釘，其重要功能是在使用前對測頭進行標定，通過調節(jié)升降旋鈕，找正回轉體中心軸線與測頭球心水平，最后用鎖死螺釘將測量裝置鎖死，限制其在測量時發(fā)生上、下移動。

圖5　氣動快換機構安裝測頭示意圖

通過上述系列優(yōu)化、細化設計，實現檢測裝置的精確、可靠工作。測量時，將該裝置伸入回轉體盲孔內，用測頭檢測盲孔內壁的某點。測量結束后，進氣嘴A進氣，活塞右移，測量裝置的軸向運動限制被解除，人工取下。該裝置具有測量精度高、測量方便和效率高等特點。

2.2內腔尺寸檢測計算問題

由于彈體內腔截面為多段斜線、圓弧或曲線組成，所以應檢測多點尺寸，采取不同的算法來換算尺寸誤差。由于雷尼紹公司只提供了圓柱面的檢測程序，沒有提供截面為曲線和斜線的檢測程序，因此，應自行設計截面為曲線和斜線的檢測方案。

2.2.1圓錐面檢測宏程序設計

要實現該方案，首先應解決半精加工后非水平和垂直方向的截面的檢測，而雷尼紹公司的車床用測頭宏程序未提供非水平和垂直方向的截面的檢測用宏程序，因此，設計了如下檢測方案(見圖6)，D0為檢測軌跡線段的起點，D1為檢測軌跡線段理論終點，檢測軌跡線段平行于X軸，檢測誤差Δ存儲于刀具磨損補償地址位中，其源程序命名為O9015宏程序。

圖6　圓錐面檢測方案示意圖

雷尼紹提供了O9011(X向單邊測量)宏程序，本研究選用各向同性的測頭，檢測誤差計算可以大大簡化。圓錐面檢測方案局部放大圖如圖7所示。從圖7可以看出O9015宏程序運算結果與O9011宏程序比較。

Δ=x1-(x1′+δ)=x1-x1′-δ

式中，x1-x1′是O9011的運算結果；δ=R/COSA-R，R是測頭球頭半徑。

在O9011的基礎上修編產生O9015。O9015調用格式：G65P9015XxAaMm。其中，X：x=被測外圓或內圓的徑向坐標；A：a=被測量面與Z軸夾角；M：m=用于存儲測量偏差的空余刀編號。若輸入上述參數，將把實際測量值與輸入值的差Δ存入m相應的刀編號中。

圖7　圓錐面檢測方案局部放大圖

通過運行上述檢測程序，可以將每個加工軌跡交點的誤差按順序逐個存入#10020、#10021和#10022等，以備精加工時調用。

2.2.2截面為圓弧線的檢測方案設計

截面為圓弧線的檢測如圖8所示，將圓弧直徑理論值D轉換成測頭在該點檢測的理論值D1，數控系統(tǒng)只進行測頭在該點檢測的實際值與理論值D1比較，記錄誤差，將復雜的運算轉移到數控系統(tǒng)外進行，很好地解決了該難題。

圖8　圓弧線檢測方案示意圖

2.3刀具磨損問題

針對刀具磨損問題，采用存儲半精加工誤差在系統(tǒng)中，通過試驗找到誤差值和補償值的最佳代數關系，通過編制宏程序實現誤差的精加工自動補償[1]。

為尋找難切削材料車削加工中刀具磨損造成零件加工尺寸的變化規(guī)律，本研究進行了大量的加工試驗。從試驗結果來看，難切削材料的加工過程較復雜，加工誤差牽涉到刀具磨損、機床剛度和刀具磨損后讓刀加劇等多個方面，這些問題都會反映到零件的加工誤差上。通過大量試驗得出下述結論：1)零件加工誤差不完全因為刀具磨損造成，其中有機床剛度、刀具剛度和刀具磨損后讓刀加劇等綜合因素，其誤差值遠大于刀具的實際磨損值；2)零件加工誤差變化趨勢如圖9所示，由于同一塊材料在不同的點，材料硬度數值存在3～5HRC的差值，因此加工誤差在中間點檢測會有誤差與加工趨勢的異動點；3)零件裝夾方式不同會因機床主軸或裝夾裝備剛度產生加工誤差，該誤差可能是零件加工的主要誤差。

圖9　零件加工誤差變化趨勢圖

根據上述試驗結論，總結難切削材料的加工方案：用2把相同規(guī)格、相同品牌的刀具組成一組，每組刀具中的2把刀具分別進行零件的半精加工和精加工，半精加工和精加工的加工參數完全一致，在半精加工后，增加檢測工序，檢測每一段軌跡交點的誤差值。精加工時，將每一點的誤差值代入精加工軌跡進行補正，解決精加工中刀具磨損產生的誤差，由于半精加工和精加工材料只相差1個精加工厚度，因此可以消除材料硬度不同對加工補償精度的影響。

根據上述原理，進行如下加工工藝方案設計(見圖10)。

1)粗車加工輪廓，留理論車削加工余量δ。

2)用探針在零件每個輪廓交點測一個點，比較工件實際尺寸與最終理論尺寸的誤差量δ，按順序保存記錄δ1、δ2、δ3……在連續(xù)地址位。

3)用半精加工車刀加工輪廓，加工參數和精加工的加工參數完全一致。加工理論軌跡交點的半徑值X為：加工外圓時，X輸入值為Xn-δn/2；加工內孔時，X輸入值修改為Xn+δn/2 (Xn為該點位最終理論值補償，δn為該點位粗加工誤差量)。

4)用探針在零件每個輪廓交點測一個點，比較工件實際尺寸與半精加工理論尺寸的誤差量δ′，保存記錄。

5)用另一把精加工車刀刀具精加工輪廓，加工參數與半精車加工輪廓一致，分段補償加工誤差δ，即加工外圓時，X輸入值修改為Xn-δn′，加工內孔時，X輸入值修改為Xn+δn′(Xn為該點位原輸入值，δn′為該點位誤差量)。

a) 外形加工

b) 內孔加工圖10　加工各步驟軌跡線和輪廓圖

3切削驗證試驗

通過系統(tǒng)研究和創(chuàng)新設計，本研究逐步總結出了大型深盲孔在線檢測與自適應加工技術方案，為了確認方案的可行性并進一步加以完善，開展了系列切削驗證試驗和應用。

3.1外形加工檢測和自適應補償綜合試驗

由于內孔較深處直徑尺寸無法檢測，因此，攻關組通過進行外形加工檢測和自適應補償綜合試驗，來驗證檢測宏程序和自適應補償方案的正確性。加工步驟如下： 1)將某產品殼體(尺寸如圖11所示，材料為30CrMoSiA，硬度為47～52 HRC)裝夾在CK61100Q數控機床上；2)粗加工外形；3)探針檢測外圓上各交點；4)用半精加工車刀加工輪廓，X輸入值為Xn-δn/2(Xn為該點位最終理論值補償，δn為該點位粗加工誤差量)；5)用探針在零件每個輪廓交點測一個點，比較工件實際尺寸與半精加工理論尺寸的誤差量δ′，保存記錄；6)用另一把精加工車刀刀具精加工輪廓，加工參數與半精車加工輪廓一致，分段補償加工誤差δ。

圖11　外形加工試驗工件尺寸圖

后續(xù)通過改變直徑a值又進行了多輪試驗，試驗證明：1)測頭標定正確的情況下，測頭檢測數據與手工千分尺檢測數據誤差≤0.02 mm；2)粗加工后檢測各控制點誤差≤0.06 mm，通過粗、精加工補償后，各控制點誤差≤0.02 mm；3)試驗證明，加工補償方案可行。

3.2內孔加工檢測和自適應補償綜合試驗

本研究用φ100 mm的換刀機構對某產品殼體(尺寸如圖12所示，材料為30CrMnSiA，硬度為48～52 HRC)進行補充加工，加工檢測步驟如下：1)將零件裝夾在CK61100Q數控機床上；2)粗加工內孔；3)探針檢測內孔上各交點；4)用半精加工車刀加工內孔，X輸入值為Xn+δn/2 (Xn為該點位最終理論值補償，δn為該點位粗加工誤差量)；5)用探針在零件每個輪廓交點測一個點，比較工件實際尺寸與半精加工理論尺寸的誤差量δ′，保存記錄；6)用另一把精加工車刀刀具精加工內孔輪廓，加工參數與半精車加工輪廓一致，分段補償加工誤差δ。

加工結果用內徑量表檢測孔口與測頭檢測比較，兩者誤差≤0.03 mm，說明檢測精度和加工精度滿足尺寸精度要求。

圖12　內孔加工試驗工件尺寸圖

4結語

通過氣動快速轉換工裝的創(chuàng)新設計，數控系統(tǒng)算法研究及宏程序的二次開發(fā)，總結出了一套全新的大型深盲孔在線檢測和自適應加工方法，通過切削驗證試驗證明其行之有效，為深盲孔的加工和檢測提供了一種新思路，零件檢測自適應加工全自動完成，在保證零件加工質量的同時，大大提高了零件的加工效率，降低了生產成本。

參考文獻

[1] 李琳,馮美君.五軸數控機床幾何誤差的建模與補償技術[J].新技術新工藝,2014(1): 18-22.

責任編輯馬彤

勘誤證明

衢州學院：

茲有貴單位金堅強、曾靜于2015年6月在《新技術新工藝》雜志上發(fā)表了題為“基于節(jié)能材料的外墻保溫技術研究”的論文?，F特說明：曾靜為第二作者；基金項目為浙江省衢州市科技項目(2013Y009)和浙江省衢州市科技項目(2013Y015)。特此證明。

《新技術新工藝》雜志社2015年7月16日

The Application Research of Large Deep Blind Hole Online Detection and Adaptive Processing Technology

GAO Yuan1，WANG Xiaobing2，ZHAO Kai2，ZHENG Lian1，PENG Guangyu1

(1. Advanced Technology Generalization Institute of CNGC，Beijing 100089， China；

2.Hubei Sanjiang Space Xianfeng Electonic & Information Co., Ltd.，Xiaogan 432100， China)

Abstract：Analyze the deep blind hole large complex parts machining and measuring challenges. Through innovative design of the pneumatic quick tool changer, achieve rapid clamping probe and precision cutter body conversion. On this basis, with the systematic study of the NC system data structure algorithms and probe into the mechanism of macro program, the author works out a set of large, complex deep blind hole parts online measuring adaptive machining solutions to solve the machining error because of the tool wear, spindle run-out and other factors, and achieve the purpose of the high quality and efficient processing of parts.

Key words:online measurement，adaptive machining，tool changer

收稿日期：2015-03-18

作者簡介：高原(1985-)，女，工程師，碩士，主要從事新技術新工藝推廣等方面的研究。

中圖分類號：TP 273

文獻標志碼:A