高精度多工位機(jī)床轉(zhuǎn)動圓盤影響精度因素及對策分析

李建偉　孫奇涵

摘 要：目前，中性筆漸漸取代了鋼筆、圓珠筆，廣泛地運(yùn)用于日常辦公、學(xué)習(xí)當(dāng)中，中性筆的書寫由剛性筆頭來實(shí)現(xiàn)，因此中性筆書寫的好壞取決于剛性筆頭的質(zhì)量。我國每年要生產(chǎn)將近400億支中性筆，但是根據(jù)中央電視臺《對話》節(jié)目當(dāng)中對我國制筆行業(yè)的概括為缺乏核心技術(shù)、產(chǎn)量巨大、價格低、利潤薄。一個小小的筆頭就絆住了中國的制筆行業(yè)，我國3000多家制筆企業(yè)中沒有一家掌握高端筆頭的制作核心技術(shù)，90%的數(shù)量筆頭成品依靠進(jìn)口或者從瑞士、德國等國家進(jìn)口制造設(shè)備進(jìn)行加工制造，平均下來中國制筆企業(yè)只能賺不到一分錢，這種現(xiàn)狀嚴(yán)重制約了我國制筆行業(yè)的發(fā)展。因此，本文對高精度多工位機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)制筆機(jī)床核心部件的國產(chǎn)化，對我國制筆工業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：高精度；機(jī)床加工；影響因素；措施

一、機(jī)床加工工作原理及關(guān)鍵部件技術(shù)要求

高精度多工位筆頭加工設(shè)備核心部件結(jié)構(gòu)如下圖所示，該結(jié)構(gòu)由上動刀頭座、下動刀頭座及轉(zhuǎn)動圓盤三部分構(gòu)成，也是俗稱的三明治結(jié)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)制造的精度直接影響整體制筆設(shè)備的整體性能。轉(zhuǎn)動圓盤在筆頭加工過程中需要快速頻繁地啟停，并且在轉(zhuǎn)動過程中需要?dú)鈩討腋亩鴾p小摩擦，轉(zhuǎn)動圓盤的加工質(zhì)量起到了至關(guān)重要的作用，因此要求該部件的加工精度要求非常高，轉(zhuǎn)動圓盤機(jī)構(gòu)如圖2所示。

二、影響精度因素分析

（一）尺寸穩(wěn)定性對加工精度的影響

轉(zhuǎn)動圓盤在實(shí)際工作中，不可能完全保持設(shè)計(jì)性能和形位公差，從而導(dǎo)致在實(shí)際加工過程中尺寸精度的降低。在工作條件下，轉(zhuǎn)動圓盤隨著負(fù)載的變化，造成零件表面出現(xiàn)過度磨損及材料的自發(fā)變化從而導(dǎo)致零件的精度降低。

（二）殘余應(yīng)力對加工精度的影響

轉(zhuǎn)動圓盤在切削加工時，金屬內(nèi)部微觀或宏觀組織的不均勾體積變化，內(nèi)應(yīng)力的出現(xiàn)勢必破壞零件原有的應(yīng)力平衡，而金屬內(nèi)部組織恢復(fù)到應(yīng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致應(yīng)力平衡狀態(tài)極不穩(wěn)定。產(chǎn)生殘余應(yīng)力的原因有以下幾種：

1、熱塑性變形，金屬材料切削部分溫度與域溫接近，不過會隨著加工過程結(jié)束而降到一致。收縮較多的區(qū)域與刀具距離較遠(yuǎn)，收縮較小的層面在距離與道具較近。工件內(nèi)層牽制表層收縮，使工件內(nèi)層產(chǎn)生壓應(yīng)力，表層產(chǎn)生張應(yīng)力。

2、金屬在加工過程中，金屬外層溫度較高，該層金屬發(fā)生相變形成奧氏體，冷卻后變成馬氏體，奧氏體與比馬氏體相比體積較小，因此金屬外層會發(fā)生膨脹產(chǎn)生應(yīng)力。

3、在切削加工過程中，金屬加工表層產(chǎn)生彈性變形和塑性變形，金屬內(nèi)層只產(chǎn)生彈性變形。當(dāng)加工完成后，金屬材料內(nèi)層和外層均有彈性回彈，而金屬表層產(chǎn)生塑性變形，致使內(nèi)外層不能夠完全回彈產(chǎn)生應(yīng)力。

（三）工裝夾具對加工精度的影響

轉(zhuǎn)動圓盤在加工過程中對其進(jìn)行支撐定位是夾具，由于轉(zhuǎn)動圓盤為薄壁工件，在夾具中的夾緊點(diǎn)局部彈性變形至關(guān)重要，局部彈性變形會使工件產(chǎn)生轉(zhuǎn)動和移動，致使工件相對位置發(fā)生改變，出現(xiàn)“欠切”或“過切”現(xiàn)象。裝夾系統(tǒng)的夾緊力、夾緊位置、夾緊剛度及定位精度等均會引起工件的加工變形。

（四）切削力對加工精度的影響

切削力會引起零件回彈變形，并且當(dāng)切削力超過材料的彈性極限時，工件會產(chǎn)生塑性變形。從力學(xué)角度分析工件力變形和工具變形是影響工件切削精度的主要因素。

三、提高轉(zhuǎn)動圓盤加工精度措施

（一）提高尺寸穩(wěn)定性

在加工前安排振動時效處理，可有效提高轉(zhuǎn)動圓盤的尺寸穩(wěn)定性。振動時效處理是常用的一種消除工程材料內(nèi)部殘余內(nèi)應(yīng)力的方法，通過振動處理使工件內(nèi)部殘余內(nèi)應(yīng)力和附加振動應(yīng)力二者矢量和達(dá)到超過工程材料屈服強(qiáng)度時，使材料發(fā)生微量的塑性變形，從而提高工件的尺寸穩(wěn)定性。

（二）殘余應(yīng)力的消除

1、除了采用振動實(shí)效處理消除工件應(yīng)力外，還可采用自然時效處理。自然時效是將工件露天放置于室外，依靠大自然的力量，經(jīng)過幾個月至幾年的自然變化，給工件造成反復(fù)的溫度應(yīng)力。在溫度應(yīng)力形成的過程中，促使殘余應(yīng)力發(fā)生松弛對構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性較好，提高工件的尺寸精度。

2、精加工時對轉(zhuǎn)盤深冷處理。將工件放入-130℃以下的液態(tài)氮中進(jìn)行處理。通過深冷處理可以有效提高轉(zhuǎn)盤的力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性，且操作簡便、不破壞工件結(jié)構(gòu)性能、成本低。

3、采用直接測量法，對比消除殘余應(yīng)力。由于轉(zhuǎn)動圓盤具有很高的形狀和尺寸公差等技術(shù)要求，是機(jī)床當(dāng)中最關(guān)鍵的零件。在加工過程中除了要對毛坯件進(jìn)行微觀組織研究，殘余應(yīng)力進(jìn)行去除應(yīng)力消除外，還應(yīng)采用直接測量方法，對工件加工前后尺寸測量對比。

（三）夾具的優(yōu)化

傳統(tǒng)加工采用壓緊式三爪式卡盤，如下圖所示藍(lán)色區(qū)域表示受力和應(yīng)變力較大，尤其會造成轉(zhuǎn)動圓盤藍(lán)色區(qū)域附近通孔變形，這種夾持方式明顯達(dá)不到轉(zhuǎn)盤零件加工精度的要求。經(jīng)過改進(jìn)后采用采用液固兩相轉(zhuǎn)變性質(zhì)將工件固定，這種方式可使工件與裝夾形成一體，切削加工時提高工件的剛性，同時在液體固化后也不會對工件造成局部拉力、產(chǎn)生變形，甚至不會產(chǎn)生變形趨勢。目前該類介質(zhì)采用石蠟基、低熔點(diǎn)合金、粘接劑三種，石蠟基主要應(yīng)用在切削用量極小的零件、低熔點(diǎn)合金主要應(yīng)用于低剛性管形的零件；粘接劑主要應(yīng)用在比較規(guī)則平面的零件。因此轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤的加工采用粘接劑來制作粘結(jié)夾具如圖3所示，工件以轉(zhuǎn)盤中心為定位基準(zhǔn)，將粘接劑注入底面空腔，固化前將工件在夾具內(nèi)調(diào)整至合適位置。粘接劑會隨著溫度的變化而改變。為了減小工件的變形，半精加工前工件必須在130～160℃的油介質(zhì)中進(jìn)行穩(wěn)定處理。

（四）減少刀具的磨損

一是提高金屬切削刀具的強(qiáng)度、剛度和耐磨性；在切削加工過程中切削熱量傳入刀具會，導(dǎo)致刀具產(chǎn)生熱變形，雖然傳入刀具的熱量占到總熱量的3%-5%，但是由于刀具的體積和熱容量小，熱量積累引起的刀具熱變形是不容忽視的。因此在切削過程必須采用合理的冷卻措施是十分必要的。

四、結(jié)論

本文根據(jù)高精度多工位機(jī)床轉(zhuǎn)動圓盤的機(jī)械加工精度要求，對轉(zhuǎn)動圓盤機(jī)械加工中精度影響因素進(jìn)行分析，通過分析找出積極應(yīng)對方案。在毛坯加工前對材料進(jìn)行振動時效、自然時效、深冷處理等工藝，大大提高了零件的尺寸穩(wěn)定性；采取合理措施，提高加工刀具的耐磨性；優(yōu)化了夾具方案，減少工件的變形量的大小，最終優(yōu)化選用了夾具粘結(jié)法進(jìn)行工裝。大大提高了轉(zhuǎn)動圓盤的加工精度，為實(shí)現(xiàn)我國制筆機(jī)床核心部件提供參考依據(jù)。

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