大型燕尾槽的加工与测量方法

范林琦 张金生 谭万斌

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川618013)

收稿日期：2021-09-22

在抽水蓄能机组中，某关键零件上设计有线槽，磁极冲片安装在线槽中。线槽主要有两种结构形式：一种是T型槽结构，另外一种是燕尾槽结构。由于燕尾槽结构的线槽在稳定性、刚性、抗疲劳、消除应力集中等方面有明显优势，将引领该领域的发展趋势。燕尾槽斜面的角度公差小，平面度要求严格，相邻槽的中心距公差小，尺寸的关联性强，对尺寸公差和形位公差的控制和测量提出了更加严格的要求。本文对大型燕尾槽的加工与测量方法进行了研究，通过分析燕尾槽型线构成，合理分解型线加工步骤，通过设计的专用刀具实现了对大型燕尾槽的精加工。综合考虑测量误差、读数误差等因素，设计了大型燕尾槽测量装置，并提出了测量过程的标准化操作流程，实现了大型燕尾槽的精确测量。

1 技术指标

以公司承制的某抽水蓄能机组零件为研究对象(如图1所示)，燕尾槽斜面角度、斜面平面度和中心距测量是研究的重点，相关技术指标见表1。

图1 燕尾槽轮廓示意图Figure 1 Dovetail groove outline diagram

表1 燕尾槽相关技术指标Table 1 Related technical specificationsof dovetail groove

2 大型燕尾槽加工方法

如表1所示，燕尾槽角度公差±0.04°、平面度0.05 mm/m、粗糙度Rz16 μm，对于重型机械行业来说，以上技术指标相当严格，特别是在精加工过程中极易出现振动现象，粗糙度、形位公差和尺寸公差都难以保证，对刀具的寿命和耐磨度也提出了更高的要求。

本文通过深入分析燕尾槽型线结构，结合加工实际，提出了一套可行的解决方案，通过多种型号刀具实现了对燕尾槽的加工。加工方法分为三个主要部分：(1)通过不同规格的三面刃铣刀，从端部进刀，将燕尾槽加工成台阶状；(2)通过成型机夹式刀具对燕尾槽进行半精加工，该阶段燕尾槽初步成型，各面的加工余量控制在1～3 mm以内；(3)通过焊接式成型刀对燕尾槽根部圆角进行最终的精加工，最后使用焊接式成型刀将燕尾槽斜面及开口处圆角加工符图。

燕尾槽的精加工刀具尤为重要，其直接关系到加工结果是否能够满足图纸要求。本文精加工刀具的设计思路是：将燕尾槽关键轮廓分两次进行加工，即先加工根部的R30 mm符图，再一次性加工斜面和开口处的R32 mm符图，这样既能精确控制斜面的加工精度，同时又解决了接刀的问题。精加工成型刀具设计要点有：(1)设计整体式刀柄，增强了刀具的刚性，最大限度地减小装配误差，保证角度公差；(2)刀刃采用8刃不等距分布结构，保证加工效率，同时解决精加工过程中的振动问题；(3)采用焊接进口整体式硬质合金的方案，极大地提高了刀具寿命，为一次完成全长4000 mm的燕尾槽斜面精加工提供了保证，解决了接刀的技术局限，同时有效地保证了粗糙度；(4)针对刀具寿命、刀具角度开展了大量的切削试验，为刀具角度控制提供了详细的试验数据，对精加工过程中的换刀时机提供了科学依据。燕尾槽成型刀示意图见图2。

图2 燕尾槽成型刀示意图Figure 2 Schematic diagram of dovetail grooveforming knife

3 测量方法

燕尾槽的测量方法主要有三种：

(1)样板比对法，即使用成型样板进行比对检查，存在检测误差大、检测项目不全面、难以实现精确测量，也无法准确地测量燕尾槽的中心距。

(2)圆球或圆柱测量法，即选用两种直径不同的圆球或圆柱，根据两次测量的数据进行计算，从而得出燕尾槽的角度测量值。此种方法测量速度快、效率高，但由于圆球或圆柱与燕尾槽是线性接触，测量误差较大，并且在测量大尺寸燕尾槽时，通用的量具将会与燕尾槽发生干涉，对量具提出了极高的要求。

(3)角度尺测量法，此测量方法简单、快捷，但测量误差较大，且不能对燕尾槽斜面的平面度进行检测。

综合以上分析，本文对测量方法进行了研究，并设计了一种燕尾槽测量装置，实现了燕尾槽的精确测量。

3.1 测量装置结构

从燕尾槽斜面角度测量、斜面平面度测量和燕尾槽中心距测量等三方面着手，本文研究设计了一种燕尾槽测量装置，可实现燕尾槽上述三项指标的精确测量，如图3所示。

1—测量架 2—定位销 3—测量柱 4—百分表5—百分表 6—百分表 7—百分表 8—百分表9—校对块 10—定位块 11—顶紧盘 12—压紧块图3 燕尾槽测量装置Figure 3 Dovetail groove measuring device

定位销2通过螺钉固定在测量架1上，定位销2的位置由两个直角面确定；百分表4、百分表5、百分表6、百分表7、百分表8安装在测量架上，并用压紧块12压紧；校对块9根据燕尾槽的理论尺寸准确制作，误差小于0.005 mm，定位块10安装在校对块9上，起到定位的作用；测量柱3安装在定位孔内，定位孔的中心通过标准校对块9斜面的延长线，用于测量相邻燕尾槽的中心距。

校对时，先将百分表7、百分表8校准，记录百分表的示数；用标准校对块校准百分表4、百分表5、百分表6，校准时，将校准块的直面与测量架1的直面贴合，通过百分表8的读数观察贴合情况，并用塞尺进行复查；在定位块10的限制下，将标准校对块向百分表4、百分表5、百分表6移动，直到接触到定位销2，记录百分表4、百分表5、百分表6的示数。定位销2、百分表4、百分表5、百分表6与测量架1的直面形成一个特定的形状，这个形状与燕尾槽的标准形状一致。校对示意图如图4所示。

1—测量架 2—定位销 3—测量柱 4—百分表5—百分表 6—百分表 7—百分表 8—百分表9—校对块 10—定位块 11—顶紧盘 12—压紧块图4 测量装置校对示意图Figure 4 Calibration diagram of measuring device

测量时将燕尾槽测量装置从燕尾槽的一端放入，用顶紧盘11固定燕尾槽测量装置。在燕尾槽斜面还有余量的情况下，可通过百分表6直接读出斜面的加工余量，从而准确地指导加工过程。在燕尾槽加工完毕后，由百分表4、百分表5的示数，可以准确读出斜面的角度误差，角度测量精度达到0.016°。将燕尾槽测量装置沿燕尾槽轴向移动，根据百分表4、百分表5、百分表6的读数，可准确测量斜面的平面度。

在两个燕尾槽内分别各安装一个燕尾槽测量装置，使用千分尺测量测量柱3之间的距离，可准确测量出两个燕尾槽的中心距，此项测量功能对于多个或多组燕尾槽的相互位置关系的控制十分有效。

3.2 测量规范

如前面所述，燕尾槽测量装置可实现斜面角度、斜面平面度和燕尾槽中心距等三项重要指标的精确测量，但在测量过程中应遵循测量规范，尽可能地减小测量的误差。测量步骤及规范如下：

(1)将工件待检测面、百分表表头、测量装置接触面、标准校对块等擦拭干净，为精确测量创造基础条件；

(2)固定百分表时应施加适当的压力，以百分表不出现位移，且百分表表杆不变形为准；

(3)用标准块校对测量装置时，次数不少于2次；

(4)测量装置放入燕尾槽时，应防止碰撞，避免测量装置变形而产生误差；

(5)通过百分表显示确定测量装置放置在了正确的位置，可通过透光检查、塞尺检查等手段进行复核；

(6)及时准确地读取各百分表的读数并记录；

(7)测量完毕后，再次用标准块校对测量装置，确保数据的准确性。

3.3 测量误差分析

设计的燕尾槽测量装置解决了燕尾槽精确测量的难题，弥补了常规测量方法的不足之处，实现了对燕尾槽的精确测量。通过激光跟踪仪、数控机床打表、专用样板比对等方法对燕尾槽的角度、平面度、中心距等三项指标进行了验证，使用燕尾槽测量装置所控制的燕尾槽精度完全满足图纸要求，通过装置中的百分表可以准确读出斜面的角度误差，角度测量精度达到0.016°。

4 结语

通过对燕尾槽关键轮廓进行合理分解，设计的燕尾槽系列刀具实现了对大型燕尾槽的精加工。结合常规的测量方法，通过深入分析燕尾槽测量要素，设计的燕尾槽测量装置实现了对燕尾槽的精确测量，测量精度达到了0.01 mm和0.016°的高指标要求。制定的测量规范将测量误差控制在允许范围内，为保证测量精度奠定了基础。