一种精密转盘的加工工艺研究*

2014-04-06 12:28杨崇倡吴瑛戟
制造技术与机床 2014年2期
关键词:切削用量石蜡装夹

赵 帅 杨崇倡 吴瑛戟

(①东华大学机械工程学院,上海 201620;②真彩文具股份有限公司,江苏 昆山 215343)

转动圆盘是高精度笔头多工位机床的分割回转工作台,是整个机床的关键核心零件,其加工质量直接影响着整机的性能、精度和寿命。精密多孔转盘材料为球墨铸铁,属于多孔盘类结构件,其外形如图1 所示。该工件加工精度要求很高,国内多家企业和研究所曾立项研制,但精度并不能满足使用要求,待进一步提高。为此笔者经过多次试验,提出了一套针对该工件的工艺方案,经测试验证,完全达到了工件技术要求。

图1 精密转盘零件

1 工件结构和加工难点

转动圆盘工件结构如图2 所示,该工件外廓尺寸大,转盘台面上孔的尺寸精度、形位精度的要求均很高,这是工件是否能加工成功最为关键的部分。工件孔径尺寸精度为±5 μm,孔极半径精度为0.015 mm,孔间极角精度为4″,圆度精度为8 μm,特别是孔间位置极角精度,经弧长计算(圆心角极小,弦长约等于弧长),精度在5 μm 左右,国内普通机床难以达到这一要求。

图2 转盘工件简图

此外,由于工件厚度较薄,整体精度要求很高,若使用传统夹具,装夹时夹紧力过大,易导致工件发生塑性变形,影响工件的形位公差。

2 工件加工工艺的制订

2.1 加工方式的选择

根据转盘结构特点和精度要求,工件关键工艺主要选用在双立柱式坐标镗床上完成。该机床具有精密坐标定位装置,整体刚性很高,主要应用在高精度孔径、孔系工件的加工,也可用于铣削。

在单件、小批量生产中,通常采用坐标法镗孔,即通过机床纵、横导轨移动来调整工件与刀具的相对位置。用这种方法加工转盘工件,加工效率低,且孔系间相对位置不易保证。若采用分度法加工,将工件安装在机床的回转工作台上,由转台旋转来实现工件加工位置变化,这样在加工两孔的过程中,机床纵、横导轨没有产生运动,工件孔系间位置精度完全转化为由回转精度来保证,因此优于坐标法镗孔。经试验和对比,选用分度盘式的数显转台,其分度精度可达2″,完全满足孔系位置精度要求。

在转台操作前,应注意以下两点:(1)对转台回转精度影响最大的是工件轴线与回转工作台轴线的重合度;(2)转台的分度精度取决于分度盘,也受转台主轴和分度盘同轴度影响。因此在加工前,一定要确保对转台检测校正。

2.2 工件加工路线

按照基准先行、先面后孔、先粗后精的原则,转盘工件具体的工艺流程如图3 所示。粗车工件内外圆面,去除工件大部分加工余量;为后续工序作基准,在车削后安排一道粗铣工序,采取一次走刀铣完;在坐标镗床的主轴锥孔上先安装钻夹头,进行钻孔加工,再粗镗各孔及凹槽;在粗加工结束后要安排一道检验工序,检查工件是否有裂纹、气孔等缺陷,采用X 射线检验;自然时效处理,将工件放置室外半年时间,以消除加工过程产生的应力;精车转盘内外圆表面,由于内圆精度要求比外圆高,应先以内圆为基准加工外圆,再以外圆为基准加工内圆;精铣转盘上下端面,铣削余量在1 mm以内;半精镗各孔及凹槽,预留加工余量应控制在0.03 mm 以内;采用深冷处理工艺,以消除由于切削热和切削力而引起的不稳定组织,提高工件的尺寸精度和耐磨性;精镗各孔及凹槽,最后一刀的单边加工余量应控制在0.01 mm以内。

图3 工件工艺流程图

2.3 工件装夹的选择

考虑到夹具的夹紧力约束,工件装夹方案采用液固两相转变性质将工件固定。目前这类介质主要有石蜡基、水基和低熔点合金3 种,石蜡基由于其固紧力小,主要应用在切削用量极小的工件;水基主要应用在有规则平面的工件上,但在低温环境加工出的工件尺寸稳定性差,不适用于精密制造;低熔点合金主要应用于低刚性工件。基于以上介质应用范围,在精加工环节采用蜡固夹具,为增大介质粘结力,石蜡溶液中还添加了相当比例的松香,装夹方法如图4 所示,装夹固定后整个加工过程转盘工件位置不变,提高了孔系和凹槽的同心度。工件以内圆为定位基准,先将已溶化的石蜡注入底面空腔,工件内圆最后注入石蜡溶液,溶液冷却前工件应在夹具内调整至正确位置。凸台平板底面需要磨平,底面孔用于出气,使石蜡溶液充满整个夹具。由于介质会因温度升高而变软,故加工过程中可稍作几分钟停留,以冷却介质。加工完成后,将夹具和工件浸入热水中,即可分离石蜡介质和工件。

图4 工件装夹示意图

2.4 刀具材料、切削用量的选取

针对转动圆盘工件高精度特点,在中加工和精加工中主要选用PCBN 和PCD 材料的刀具,如铣刀、镗刀。这种超硬质材料刀具广泛应用于高精密加工中,其具有高的耐磨性、良好的抗弯强度的特点,加工后工件表面的精度好,残余应力也相对稳定。

转盘切削用量的确定主要考虑加工表面质量、刀具磨损以及加工成本,在转盘切削工艺中,镗孔切削用量是整个切削工艺用量的重点。粗镗时应采用较大的背吃刀量,以去除工件硬皮层,避免刀尖过早磨损,并配以较低的切削速度;精镗和半精镗因考虑表面质量要求,采用较小的背吃刀量和进给量,因此切削速度较大,同时避免产生积削瘤和鳞刺,具体参数见表1。

表1 镗孔切削用量推荐表

图5 转盘Φ25 mm 孔极半径分布

图6 转盘Φ25 mm 孔极角偏差

图7 转盘Φ25 mm 孔直径分布

3 工件加工精度的检测

为了获取可靠检测数据,采用三坐标测量机对转盘进行测量,建立工件的极坐标系,检测各分项点,其检测精度为(0.3 +1 000/L)μm,测量结果完全符合零件的设计使用要求。以转盘台面Φ25 mm 孔的测量结果为例,由图5~8 可知,24 个孔的最小极半径大于279.986 0 mm,极角精度偏差在±4″内,孔径上下偏差为mm,圆度误差小于0.008 mm,其加工结果完全符合零件的加工设计要求。

图8 转盘Φ25 mm 孔圆度分布

4 结语

高精度旋转圆盘是整个笔头多工位机床加工精度的核心和保障,通过技术攻关,解决了加工设备、装夹及切削用量等工艺问题,最终达到了高精密转动圆盘的加工精度要求,满足了转盘单件小批量的应用需求,为类似精密多孔转盘零件加工提供一定的借鉴。

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