高精度锥孔的数控加工及检测策略研究

郭德桥

(四川工程职业技术学院，四川 德阳 618000)

0 引言

锥孔在机械零件中比较常见，一般是在数控车床上进行加工，精度要求高的锥孔需要用合适的锥度铰刀或在磨床上精加工完成。扭矩板是燃汽轮机上一个重要零件，形状较复杂，如图1 所示。材料为12Cr12，是难加工的不锈钢材料。加工的关键是与偏心锥销配合的高精度锥孔，如图2 所示。锥孔的锥度为1:12，锥孔的大端尺寸为φ30 ±0.01mm，尺寸精度达IT6 级，表面粗糙度要求Ra1.6μm，由于零件精度要求高，且孔口尺寸无法直接检测，加工难度较大。因此，在批量生产前应对锥孔的加工和检测方案进行研究，以便提高生产效率和加工质量［1］。

1 锥孔数控加工方案设计

由于扭矩板前、后面是两个同心不同半径的弧形面，左右侧面都是向心面，其延长线通过前后弧形面的中心，零件形状不便于在车床上用四爪卡盘装夹。另外，由于锥孔孔径较大，大端尺寸为φ30mm，也不适合用锥度铰刀精加工完成。所以对于这类异形件上的大锥孔应优先选用数控加工中心进行加工。其工艺路线是先用钻头预钻出底孔，孔径小于锥孔小端直径，再用圆鼻刀粗铣锥孔，最后用有刀尖圆弧的整体硬质合金立铣刀精铣完成。数控编程时如果用CAD/CAM 软件需要先用CAD 进行实体建模，再用CAM 完成程序，且使用圆鼻刀和立铣刀加工锥孔时需要生成不同的程序，影响生产效率［2］。所以应该优先利用宏程序进行手工编程，在使用不同类型的刀具加工时只需修改一下刀具圆弧半径变量值就可以进行加工了，既简化了编程，也提高了效率。

1.1 数学模型的建立

铣锥孔常用的刀具有三种:圆鼻刀、立铣刀和球头铣刀。其中平底立铣刀和球头铣刀是圆鼻刀的两个特例，刀具圆角半径为0 时的圆鼻刀即为平底立铣刀，而刀具圆角半径等于刀具直径1/2 时的圆鼻刀即为球头铣刀［3］。因此，以圆鼻刀铣削锥孔进行加工分析，具有最佳的实用性和通用性［4］。圆鼻刀铣削锥孔的示意图如图3 所示，铣削孔口处的局部示意图如图4 所示。

图1 扭矩板零件图

图2 锥孔简图

图3 圆鼻刀铣削锥孔示意图

图4 圆鼻刀铣削孔口处局部示意图

锥孔的基本参数:圆锥半角α(#10)或锥度C(1∶ #3)、锥孔大端直径D(#1)、锥孔小端直径d、锥孔深度H(#2)。圆鼻刀的基本参数:刀具直径d(#4)、刀具圆角半径R(#5)，设Z 向下刀深度(#6)为自变量。根据锥度C=(D－d)/H，即1:#3 = (D－d )/H。通过三角函数计算各数据如下:

圆锥半角α(#10):

在三角形CAB 中:

铣削锥孔大端孔口处时，刀具端面中心P 点坐标:

刀具向下进给一个Z 向增量ΔZ(#16)后，X 坐标的变化值为:

切削到任意深度(#6)点时，P 点的坐标为:

1.2 宏程序编制

加工“扭矩板”锥孔时，编程原点G54 设置在锥孔大端中心，下刀点选择在锥孔中心的右下角，为减小接刀痕的影响，每层均在+X 处采用1/4 圆弧切入进刀和1/4 圆弧切出退刀，以顺铣方式(逆时针方向)单向走整圆，以等高方式逐层向下加工锥孔［5-6］。选用FANUC 0i 系统进行编程，宏程序如下:

2 锥孔检测方案设计

2.1 专用锥度塞规的设计

扭矩板锥孔大端直径φ30 ±0.01mm，为锥孔的锥面与上表面的交线构成的圆，无法直接检测，只能在停机状态采用间接方法来实现在线检测。所以应根据锥孔锥度、大端直径、锥孔深度等锥孔基本参数设计如图5 所示的1:12 专用锥度塞规，直径E 为塞规大端实测尺寸，在φ31.75 ±0.05mm 范围内，D 为塞规大端基准面B 到孔口上表面的距离。这样就可将锥孔直径的微量变化转化为放大的轴向长度D 来检测，从而间接控制孔口直径［7］。

图5 1:12 锥度塞规

2.2 检测及加工参数调整

测量时，先将锥度塞规插入到工件锥孔内，使两者锥面完全贴合，然后用深度千分尺测量锥度塞规基准面B 到孔口上表面的距离D 值。由于锥孔锥度为1:12，在用图5 所示的锥度塞规测量时，尺寸D =(E－30)* 12，若实测塞规大端制造时的尺寸E 为φ31.75mm，则D =(31.75－30)×12 =21mm，孔口直径每减小0.01mm，测量尺寸D 值就会增大0.12mm。由于孔口大端直径的上、下偏差为±0.01mm，所以，实测尺寸D 在21 ±0.12mm 范围内，锥孔大端尺寸即为合格。

根据这一规律，锥孔在半精加工和精加工时就不再用改变刀具半径补偿值的方法来控制孔口直径，而是通过半精加工时增大坐标系中Z 值，以留出锥孔精加工的余量，半精加工后测量锥度塞规基准面B 到孔口上表面的距离D，D 值大了多少，坐标系中Z 值就相应减小多少做精加工，如图6 所示，调整非常方便。最终使测量尺寸D 在21 ±0.12mm 范围内即保证了孔口大端直径φ30 ±0.01mm。

图6 加工参数调整图

3 加工效果

零件试切时，选用两台不同的立式加工中心进行加工(数控系统均为FUNAC 0i-MB)。粗加工刀具用φ16 的圆鼻刀(刀片圆角半径R4)，精加工用φ20硬质合金圆角立铣刀(刀尖圆角半径R0.5)，精铣时转速为3000 转/min，进给速度为800mm/min。虽然用的都是同一宏程序，切削参数也完全相同，但加工出的锥度却有一定的差异。其中大连机床厂生产的VDL-850D 机床铣出的锥孔用着色法检验锥度完全合格，而自贡长征机床厂生产的KVC650 机床铣出的锥孔用锥度塞规检验时，明显感觉锥孔与塞规之间有间隙。经分析，这种误差主要是由于机床伺服系统跟随误差较大所引起的［8］。在锥孔逐层向下铣削时，刀具中心轨迹的整圆直径逐渐减小。为了减小伺服系统跟随误差对加工圆弧轮廓的影响，编程时可以根据锥度逐渐减小铣削整圆的进给速度。表达式为(1－Z 向下刀深度* 锥度* 0.1)* 进给速度，即F［1－［#6/#3］* 0.1］* #15，所以，锥孔宏程序中铣整圆的具体程序改为:G03 I－#12 F［1－［#6/#3］* 0.1］* #15。经过进给速度的适当调整后，加工出的锥孔都完全符合零件技术要求。

为了比较锥孔宏程序与自动编程的加工效果，现选用CAD/CAM 功能强大的UG NX8.0 软件，CAM中需设置的各项参数均与宏程序相同，试切时选用加工精度较高的VDL－850D 加工中心，结果两种程序加工出的锥孔质量基本相同，但宏程序节约了10%的走刀时间，而且在NC 文件占用机床内存和程序传输时间上具有自动编程不可比拟的优势［9］。两程序的精加工比较如表1 所示。

表1 两种编程方法的加工比较

4 结束语

合理的应用宏程序可以达到一次编程多次利用的效果。在使用不同的铣孔刀具加工不同锥度、不同直径的锥孔时，只需修改一下锥孔参数、刀具直径、刀具圆弧半径等变量值就可以进行加工了，大大节约了程序传输时间，提高了生产效率［10］。再根据锥孔基本参数设计合适的锥度塞规，检测时可将锥孔直径的微量变化转化为放大的轴向长度D 来检测，从而降低了检测和加工调整的难度，有效解决了高精度锥孔的加工与检测难题，为企业提高了生产效率和加工质量。

［1］杨顺田，杨天雄，彭美武. 深孔钻断排屑机理与变切深加工数控宏程序研究［J］. 组合机床与自动化加工技术，2012(4):80－83.

［2］张运强，穆瑞. FANUC 数控系统宏程序编程方法、技巧与实例［M］. 北京:机械工业出版社，2011.

［3］杨静云. 数控编程与加工［M］. 北京:高等教育出版社，2010.

［4］陈海舟. 数控铣削加工宏程序及应用实例［M］. 北京:机械工业出版社，2007.

［5］孙德茂. 数控机床铣削加工直接编程技术［M］. 北京:机械工业出版社，2005.

［6］倪红兵，邹克武. 数控铣削轮廓的切入和切出方法设计［J］. 机床与液压，2009，37(5):207－209.

［7］褚守云. 小锥孔的精密加工与检测策略研究［J］. 现代制造工程，2012(2):112－114.

［8］孙兴伟，董蔚. 数控机床伺服系统跟随误差对加工轮廓的影响［J］. 制造技术与机床，2010(6):76－78.

［9］冯志刚. 数控宏程序编程方法、技巧与实例［M］. 北京:机械工业出版社，2011.

［10］吴金会，刘越. 基于宏程序的方形体斜角面铣削加工应用研究［J］. 组合机床与自动化加工技术，2012(5):64－96.