王聯(lián)融,屈旭琪,吳宏寶,郭娜
山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 山西長(zhǎng)治 046000
空間微型半盲倒錐孔廣泛用于各類旋轉(zhuǎn)副的設(shè)計(jì)中,具有限位精準(zhǔn)、旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)靈活的優(yōu)點(diǎn)。半盲倒錐孔是指相對(duì)于刀具進(jìn)給方向,錐孔外側(cè)孔徑小于內(nèi)側(cè)孔徑,且具有一定角度的孔,機(jī)床切削無(wú)法實(shí)現(xiàn)錐形銑刀自動(dòng)進(jìn)刀和退刀,普通機(jī)械加工刀具無(wú)法滿足加工要求,加工過(guò)程中對(duì)操作人員技術(shù)水平和加工經(jīng)驗(yàn)要求高,同時(shí)產(chǎn)品尺寸精度及內(nèi)孔表面粗糙度要求高,使得加工過(guò)程難度加大,生產(chǎn)效率較低,因此此類問題亟待解決[1]。
某產(chǎn)品長(zhǎng)軸如圖1所示,其外形為細(xì)長(zhǎng)空心桿,加工過(guò)程因零件尺寸公差范圍小、裝夾方式和基準(zhǔn)的不正確選擇使圓周均布的3個(gè)錐形孔回轉(zhuǎn)精度得不到保證。倒錐孔設(shè)置于細(xì)長(zhǎng)桿管壁上,沿圓周方向均布3個(gè),與錐孔配合的鋼球包容量?jī)H0.1mm,只有選擇恰當(dāng)?shù)难b夾方法,才能保證同軸度0.03mm的要求。該倒錐孔呈上窄下寬的形式,錐孔段角度為13°,長(zhǎng)度為(2.5±0.05)mm,口徑為5.90-0.05mm,直孔段孔徑為6.5+0.050mm,因此為半盲加工,錐孔內(nèi)壁表面粗糙度值要求為Ra=1.6mm。加工完成后,需同時(shí)將3件6mm鋼球從管壁內(nèi)側(cè)放入錐孔內(nèi),若鋼球一端在口徑φ5.90-0.05mm處不掉出,且鋼球在管壁內(nèi)側(cè)漏出的部分不影響長(zhǎng)軸內(nèi)孔安裝的心軸往復(fù)移動(dòng),即為合格。
該錐孔口徑小、內(nèi)徑大的特殊性,使加工難度增大。另外倒錐孔加工完成后因存在接刀痕,致使產(chǎn)品一致性差,生產(chǎn)效率低,產(chǎn)品合格率不足50%;加工過(guò)程占用五軸數(shù)控機(jī)床,加工成本高。
圖1 倒錐孔結(jié)構(gòu)示意
為滿足尺寸加工精度,傳統(tǒng)加工方式選擇高精度五軸精密加工中心,使用自定心卡盤臺(tái)階式爪片裝夾零件底端,裝夾厚度5mm,如圖2所示。加工時(shí)使用兩把磨削銑刀進(jìn)行錐孔復(fù)合加工,首先使用φ5mm鉆頭預(yù)鉆底孔,手工刃磨出高速鋼錐孔銑刀和高速鋼T形銑刀,然后用錐孔銑刀加工錐孔上端φ5.90-0.05mm,長(zhǎng)度為(2.5±0.05)mm,再用φ5.5mm T形銑刀進(jìn)行錐孔下端φ6.5+0.050mm加工,通過(guò)兩把磨削銑刀刀具半徑補(bǔ)償?shù)母淖儊?lái)保證相應(yīng)尺寸。
因?yàn)榱慵锥伺c內(nèi)孔、外圓不是一次加工成形,所以無(wú)法滿足零件同軸度0.03mm的要求。另外該裝夾方式裝夾長(zhǎng)度較短,距離加工位置遠(yuǎn),零件伸出長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),加工時(shí)“發(fā)顫”現(xiàn)象嚴(yán)重,加劇了刀具異常磨損,導(dǎo)致加工位置回轉(zhuǎn)精度無(wú)法保證。由于兩把刀復(fù)合加工,加工完成后錐孔會(huì)出現(xiàn)明顯接刀痕,不符合Ra=1.6mm的表面粗糙度要求,影響產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)該方案需要技術(shù)人員有較高的磨削刀具技術(shù)和加工經(jīng)驗(yàn),若磨削誤差大,不僅會(huì)對(duì)刀具使用造成浪費(fèi),增加加工成本,而且生產(chǎn)效率低,極易造成產(chǎn)品報(bào)廢[2]。
通過(guò)現(xiàn)狀分析,改進(jìn)方案:選用立式四軸加工中心,以內(nèi)孔為基準(zhǔn),采用“一夾一頂”方式進(jìn)行裝夾,如圖3所示?!耙粖A一頂”裝夾方式提高了細(xì)長(zhǎng)桿零件的支撐剛性,且基準(zhǔn)選擇合理,這樣既能夠保證零件的同軸度和回轉(zhuǎn)精度,又可使零件前后軸向圓跳動(dòng)公差得到有效控制。
圖2 五軸加工中心裝夾方式
圖3 四軸加工中心裝夾方式
改進(jìn)方案選用四軸加工中心,采用“一夾一頂”方式以內(nèi)孔為基準(zhǔn)進(jìn)行裝夾,先用φ5mm鉆頭預(yù)鉆底孔,然后使用硬質(zhì)合金錐度銑刀和硬質(zhì)合金T形切槽刀進(jìn)行粗加工。精加工過(guò)程若按傳統(tǒng)方案加工,依然存在接刀痕問題,因此需重新設(shè)計(jì)加工方案,確保錐孔一次成形。
為解決這一加工難題,對(duì)半盲倒錐孔的可加工性進(jìn)行分析,根據(jù)該半盲倒錐孔的加工要素設(shè)計(jì)出符合該倒錐孔一次加工成形的倒錐銑刀,解決了普通切削刀具無(wú)法加工的瓶頸問題。
為解決傳統(tǒng)倒錐孔加工接刀痕問題,提高加工效率,保證產(chǎn)品質(zhì)量,根據(jù)倒錐孔實(shí)際的加工要求,通過(guò)縮小孔樣比例,計(jì)算出適用于該倒錐孔加工的錐度銑刀直徑[3,4]。
該倒錐孔錐度銑刀為錐孔的縱截面(外寬內(nèi)窄的等腰梯形)結(jié)構(gòu),根據(jù)倒錐孔截面形狀等比縮小,刃部由直線段及錐段組成,以便刀具順利伸入預(yù)鉆底孔,依靠錐段加工倒錐孔一次成形。特別需要注意的是在滿足倒錐孔成形加工的前提下,該倒錐孔錐度銑刀直徑應(yīng)盡量較大,但需小于預(yù)鉆孔直徑,這樣可以提高刀具切削剛性,從而更好地保證零件的表面粗糙度。加工前使用對(duì)刀儀進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償和刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償,編程時(shí)倒錐孔加工刀具Z向切削深度為上端直徑銑刀長(zhǎng)度加錐孔錐度部分的深度,切削時(shí)根據(jù)對(duì)刀儀實(shí)際半徑進(jìn)行半徑補(bǔ)償。
專用銑刀設(shè)計(jì)樣式如圖4所示,與常規(guī)銑刀結(jié)構(gòu)相同,分為刃部、頸部和柄部三部分。
圖4 專用銑刀設(shè)計(jì)樣式
該銑刀主要尺寸如圖5所示,刀具直徑為5 m m,刃長(zhǎng)分為直線段及錐度段,總?cè)虚L(zhǎng)為9.4mm,錐度為13°;頸部直徑為4mm,頸部長(zhǎng)度為7mm,根部設(shè)計(jì)有R0.2mm圓角,避免使用時(shí)應(yīng)力集中;柄部長(zhǎng)度為30mm,柄部直徑為6mm,銳邊倒鈍為C0.5mm。
圖5 銑刀尺寸示意
(1)檢測(cè)方法 倒錐孔加工完成后,需使用專用工裝進(jìn)行檢測(cè),該錐孔檢測(cè)工裝由工裝心軸、工裝套筒及6mm鋼球組成,檢測(cè)工裝如圖6所示。
圖6 檢測(cè)工裝示意
檢測(cè)時(shí)錐孔需同時(shí)滿足以下3個(gè)條件視為合格。
1)受檢長(zhǎng)軸使用清洗劑清洗吹干后,將3個(gè)鋼球從長(zhǎng)軸內(nèi)側(cè)放入長(zhǎng)軸錐孔內(nèi),逐一檢查3處錐孔,鋼球不能從錐孔掉落。
2)受檢長(zhǎng)軸、3個(gè)鋼球和工裝心軸按圖7a所示裝配,檢查心軸大徑段在長(zhǎng)軸內(nèi)孔中滑動(dòng)是否順暢、無(wú)卡滯。
3)受檢長(zhǎng)軸、3個(gè)鋼球、工裝心軸及工裝套筒按圖7b所示裝配,檢查工裝套筒在長(zhǎng)軸表面滑動(dòng)是否順暢、無(wú)卡滯。
(2)檢測(cè)結(jié)果 使用本文所述的專用銑刀后,隨機(jī)抽取所加工的30件長(zhǎng)軸進(jìn)行錐孔檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果全部合格,具體數(shù)據(jù)見表1。
圖7 檢測(cè)工況
表1 改進(jìn)后檢測(cè)數(shù)據(jù)
通過(guò)對(duì)以上加工方案、刀具、切削參數(shù)及加工程序的優(yōu)化和改進(jìn),加工產(chǎn)品的合格率由不足50%提升到100%,加工效率提高了3倍,零件尺寸精度、幾何公差及表面粗糙度均符合圖樣要求。以四軸加工中心替代五軸加工中心,緩解了關(guān)鍵設(shè)備占用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問題,同時(shí)此成果也可以在其他產(chǎn)品錐孔加工中推廣使用。
本文所述方案實(shí)現(xiàn)了微型半盲倒錐孔的一次性成形加工,突破了普通加工方式需二次換刀的加工技術(shù)瓶頸。經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)的檢驗(yàn),該方案提升了產(chǎn)品的加工質(zhì)量。此方案不限于上述案例,還可以在不脫離本方案宗旨的前提下作出各種變化,推廣到各類倒錐孔的加工方案中。