基于精雕系統(tǒng)的精密配合件的加工

■臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院 （浙江臺(tái)州 318020） 揭 曉

■北京精雕集團(tuán)黃巖分公司 （北京 318023） 張歡龍

運(yùn)用數(shù)控機(jī)床加工配合件是目前國(guó)內(nèi)一般企業(yè)的主流方法，但由于存在定位誤差、刀具磨損以及溫度因素的影響，故很難做到量產(chǎn)，存在質(zhì)量不穩(wěn)定、次品多、浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題。在比較了幾種國(guó)內(nèi)主流使用的幾款數(shù)控系統(tǒng)后，嘗試運(yùn)用北京精雕系統(tǒng)來(lái)完成。精雕系統(tǒng)由于自身具備在線檢測(cè)、在線補(bǔ)償功能，又能結(jié)合自主的CAD/CAM軟件，因而可以提高零件的定位精度，并可以隨時(shí)通過(guò)測(cè)頭測(cè)量來(lái)補(bǔ)償。通過(guò)對(duì)零件定位試驗(yàn)、加工過(guò)程中的溫度對(duì)刀具影響等，確定出準(zhǔn)確合理的工藝參數(shù)，為量產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

1. 測(cè)試件試制

（1）測(cè)試件模型分析 測(cè)試件如圖1所示，材料為H13模具鋼，淬火硬度52HRC。一套測(cè)試件分為凸件和凹件，尺寸均為76mm×76mm×40mm。

圖1 凸凹配合件零件

加工要求：①避卡位面、自由曲面、產(chǎn)品面的輪廓精度±2.5 μ m。②外形尺寸精度±3μm。③工件表面光亮一致、刀紋均勻無(wú)彈刀紋、無(wú)拉絲紋、無(wú)毛刺。④表面粗糙度值Ra≤0.15μm。

從模型中分析：曲面、輪廓的尺寸精度要求很高，為±2.5μm，同時(shí)對(duì)外形尺寸、表面粗糙度要求也非常高。

（2）加工工藝規(guī)劃 采用精雕SURFMILL軟件對(duì)工件編程，工藝規(guī)劃采用粗加工、在機(jī)檢測(cè)、二次開(kāi)粗、平面磨、半精加工和精加工等工序，所用設(shè)備、刀具、測(cè)頭見(jiàn)表1。該工藝與普通加工不同，配合件加工在粗加工及半精加工等多道工序過(guò)程中，頻繁使用在機(jī)測(cè)量，目的是及時(shí)管控尺寸精度。

（3）工件安裝 由于精度要求高，對(duì)安裝質(zhì)量有很高要求，工件裝夾時(shí)用強(qiáng)磁吸盤(pán)，確保吸盤(pán)平面和工件底面平面度＜5μm，用千分表拉工件的直側(cè)壁＜2μm；使用測(cè)頭分中時(shí)開(kāi)啟主軸準(zhǔn)停功能，分別對(duì)外形和避卡位進(jìn)行分中，取兩者中間值作為加工原點(diǎn)；凸件直接以基準(zhǔn)面為Z向加工基準(zhǔn)。工件Z向基準(zhǔn)原點(diǎn)確定后，若來(lái)料表面剩0.05mm余量，工件坐標(biāo)系的Z0點(diǎn)＝Z基準(zhǔn)原點(diǎn)－（0.05mm＋0.01mm）。

（4）工件定位 定位時(shí)需要對(duì)外形進(jìn)行測(cè)量，工件外形測(cè)量之前先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)塊外形進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)塊外形在機(jī)測(cè)量和三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果，找出每臺(tái)機(jī)床在機(jī)測(cè)量和三坐標(biāo)測(cè)量的誤差值（見(jiàn)圖2），按照測(cè)量結(jié)果調(diào)整外形加工工藝，從而保證每臺(tái)機(jī)床加工出的工件外形尺寸一致為（76±0.003）mm。注意標(biāo)準(zhǔn)塊的安放高度應(yīng)盡量同工件高一致，安裝流程如圖3所示。

圖2 工件定位安裝

2. 工藝把控

加工時(shí)必須在工藝實(shí)施過(guò)程中，對(duì)環(huán)境溫度、刀具跳動(dòng)量進(jìn)行把控。

（1）冷機(jī)預(yù)熱刀長(zhǎng)與溫度關(guān)系 在機(jī)測(cè)量前保證主軸處于穩(wěn)定狀態(tài)，加工完成后，主軸冷卻25min后進(jìn)行測(cè)量。

由于配合面精度要求極高，因此必須對(duì)刀具伸長(zhǎng)量進(jìn)行測(cè)量。加工過(guò)程中進(jìn)行量化控制，當(dāng)機(jī)床處于冷機(jī)狀態(tài)時(shí)，使用激光對(duì)刀儀，反復(fù)測(cè)量刀具刀長(zhǎng)，測(cè)量間隔時(shí)間為30s，共測(cè)量1h，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在轉(zhuǎn)速7 000r/min時(shí)，刀長(zhǎng)與溫度曲線的關(guān)系如圖4所示。

圖3 安裝流程

表1 凸、凹模加工工藝

從冷機(jī)狀態(tài)預(yù)熱20min，主軸熱伸長(zhǎng)可控制在6μm以內(nèi)。預(yù)熱過(guò)程如圖5所示。

（2）加工前后刀長(zhǎng)測(cè)試 試驗(yàn)方式：每一步加工程序完成后從刀庫(kù)調(diào)出下一把加工刀具，加工前進(jìn)行主軸熱伸長(zhǎng)預(yù)熱，使用激光對(duì)刀儀反復(fù)測(cè)量刀具刀長(zhǎng)，測(cè)量過(guò)程中沒(méi)有停頓時(shí)間，反復(fù)跑對(duì)刀程序，總測(cè)量時(shí)間為30min，測(cè)量完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。測(cè)量30min后模擬加工程序跑路徑，跑2h后從刀庫(kù)換下一把刀具進(jìn)行熱伸長(zhǎng)檢測(cè)，時(shí)間為30min，刀長(zhǎng)與溫度的關(guān)系如圖6所示。

加工過(guò)程中從刀庫(kù)換刀后直接加工主軸熱伸長(zhǎng)量為3μm以內(nèi)，預(yù)熱4m i n后加工主軸熱伸長(zhǎng)可穩(wěn)定在2μm以內(nèi)。預(yù)熱7min后加工主軸熱伸長(zhǎng)可穩(wěn)定在1μm以內(nèi)。方式：路徑程序加工完成后，從刀庫(kù)調(diào)出測(cè)頭直接測(cè)量工件上表面余量，中間試驗(yàn)不停，反復(fù)測(cè)量大概50min，開(kāi)始分析測(cè)量后的余量數(shù)據(jù)，具體如圖7所示。

在機(jī)測(cè)量前主軸熱伸長(zhǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，主軸冷卻25min以后開(kāi)始逐漸穩(wěn)定，變化量為2μm，冷卻后，刀具長(zhǎng)度與溫度的關(guān)系如圖8所示。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論。

1）恒溫車(chē)間溫度變化不超過(guò)±1.5℃/24h。

2）使用MPM振動(dòng)儀測(cè)試主軸轉(zhuǎn)速，避開(kāi)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速共振點(diǎn)；分型面與產(chǎn)品面精加工，轉(zhuǎn)速控制在11 000r/min左右。

3）半精加工時(shí)刀具刀跳4μm以內(nèi)，精加工時(shí)刀具刀跳嚴(yán)格管控在2μm以內(nèi)。

圖4 冷機(jī)時(shí)刀長(zhǎng)與溫度的關(guān)系曲線（1h內(nèi)）

圖5 冷機(jī)預(yù)熱30min后刀長(zhǎng)關(guān)系

圖6 A、B、C、D4把刀跑30min的刀長(zhǎng)與溫度的關(guān)系曲線

圖7 工件表面余量冷卻時(shí)間的關(guān)系曲線

圖8 冷卻過(guò)程中刀長(zhǎng)與冷卻時(shí)間的關(guān)系曲線

3. 加工工序安排

調(diào)整下一道加工工序順序與上一道加工工序的順序相反，即產(chǎn)品面與自由曲面進(jìn)出刀方向相反，上一道加工路徑從外往里，下一道加工路徑從里往外，這樣可有效解決精加工時(shí)因刀具磨損帶來(lái)的余量不均勻問(wèn)題，如圖9所示。

最終加工零件如圖10所示。

圖9 加工示意

圖10 零件及配合

4. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)選擇合適的具備在線檢測(cè)功能的數(shù)控設(shè)備，采取合理的加工工藝方案，隨時(shí)監(jiān)控溫度等因素對(duì)刀具長(zhǎng)度的影響，使溫度對(duì)刀長(zhǎng)的影響降到最低限度，最終使零件的配合做到完美。使用北京精雕數(shù)控系統(tǒng)，控制相關(guān)的工藝參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)精密配合件的量產(chǎn)，成為首次用國(guó)產(chǎn)機(jī)床系統(tǒng)完成精密配合件的成功案例，值得推廣應(yīng)用。