非恒溫環(huán)境下孔徑尺寸控制

舒森

摘要：本文基于某型號(hào)柴油機(jī)連桿大頭孔加工，分析非恒溫環(huán)境對(duì)連桿孔徑造成的誤差，尋求簡單可靠、操作方便的方法來控制孔徑尺寸。

關(guān)鍵詞：非恒溫環(huán)境;測量控制;連桿孔徑尺寸控制

0 ?引言

金屬加工中對(duì)于精度要求較高的產(chǎn)品一般需要在恒溫環(huán)境下進(jìn)行，對(duì)于恒溫環(huán)境而言選用合適的刀具和資質(zhì)符合要求的人員很容易將尺寸準(zhǔn)確的控制。但多數(shù)中小型企業(yè)只能提供一般的非恒溫作業(yè)環(huán)境，包括非恒溫車間、非恒溫機(jī)床，事實(shí)表明在該條件下加工的產(chǎn)品精度會(huì)受到極大的影響，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性下降，在加工大尺寸的工件時(shí)更為顯著。部分企業(yè)采取強(qiáng)制縮小公差帶寬來進(jìn)行尺寸控制，能夠在一定程度上提升產(chǎn)品質(zhì)量，但其成倍的增加了加工成本甚至是犧牲加工效率，該方法可取性并不高。

1 ?描述

本文以加工某型號(hào)連桿大頭孔為研究對(duì)象，該連桿大頭孔尺寸在220附近，公差等級(jí)H6為：屬于大孔加工。較為科學(xué)合理的加工方式為鏜削，工藝流程為：①半精鏜刀半精加工→②縮小精鏜刀試切削5mm深→③以標(biāo)準(zhǔn)圈校調(diào)量缸表→④測量試切孔徑→⑤根據(jù)試切孔徑調(diào)節(jié)精鏜尺寸→⑥精鏜刀精鏜孔→⑦測量→⑧三坐標(biāo)→⑨鉗工→⑩成品檢查入庫。本文所論述的產(chǎn)品加工條件為非恒溫車間，非恒溫機(jī)床，使用水溶性切削液，同時(shí)采用內(nèi)徑千分表（量缸表）及標(biāo)準(zhǔn)圈作為測量手段。按此工藝流程在進(jìn)行到步驟⑩成品檢查工序時(shí)筆者發(fā)現(xiàn)連桿成品孔徑與加工時(shí)所控制的連桿孔徑存在差異（以下統(tǒng)稱尺寸變化量）。

2 ?溫度影響分析

因觀察發(fā)現(xiàn)尺寸變化量隨季節(jié)變化呈現(xiàn)出交替變化的規(guī)律，故對(duì)工件加工日期與尺寸變化量進(jìn)行了初步統(tǒng)計(jì)分析（如圖1），從圖中可以看出在6-9月之間尺寸變化量明顯大于其它月份。在加工過程中標(biāo)準(zhǔn)圈的溫度始終與車間環(huán)境溫度接近，而步驟④測量試切孔時(shí)連桿是處于被切削液噴淋過的狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)圈與連桿孔所處環(huán)境不同，又無恒溫裝置，兩者間產(chǎn)生了溫差，此時(shí)做測量勢必會(huì)形成誤差。而6-9月為高溫季節(jié)，切削液的蒸發(fā)吸熱性更強(qiáng)，加上風(fēng)扇的使用，所形成的溫差便更大，根據(jù)熱膨脹公式“尺寸變化量δ=熱膨脹系數(shù)*基礎(chǔ)尺寸*ΔT”可知尺寸的變化量也就更大。

雖有熱膨脹公式，但材料熱膨脹系數(shù)并不是一個(gè)常數(shù)，同一種材料也會(huì)隨其內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)等影響而改變，同時(shí)還會(huì)隨溫度改變而逐漸變化，而且加工時(shí)工件被噴淋過程中溫度并非均勻整體變化，工件外形也非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則的，故按理論公式計(jì)算很難與實(shí)際相符。為更精確的分析溫度帶來的影響，在不同的環(huán)境氣溫下隨機(jī)抽取連桿進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測量，在加工前記錄環(huán)境溫度，在步驟⑩成品交檢時(shí)記錄尺寸變化量，并生成尺寸變化量與環(huán)境溫度散點(diǎn)圖（如圖2）。從圖中可以看出在一段環(huán)境溫度內(nèi)尺寸變化量的變化趨勢比較穩(wěn)定，在到達(dá)約26℃后尺寸變化量的變化趨勢比較明顯。且尺寸變化量與環(huán)境溫度并非成簡單正比關(guān)系，略顯示出多階次變化。

3 ?孔徑控制方法分析

3.1 擬合公式法控制

如前所述不能用理論公式進(jìn)行計(jì)算，可考慮基于大量實(shí)際數(shù)據(jù)分析得出尺寸變化量隨環(huán)境溫度的變化趨勢，在實(shí)際加工時(shí)只需參照尺寸變化量對(duì)孔徑進(jìn)行預(yù)先修正便可保證產(chǎn)品質(zhì)量。此時(shí)需要先確認(rèn)同一車間溫度下尺寸變化量的穩(wěn)定性，如果穩(wěn)定性太差，則會(huì)形成較大誤差。為此每隔3度采集同一溫度下對(duì)應(yīng)尺寸變化量及溫差，生成散點(diǎn)圖（如圖3），從圖3中可以看出環(huán)境溫度越高，溫差波動(dòng)性越大，在13度時(shí)最小波動(dòng)為0.05度，在35度時(shí)最大波動(dòng)范圍為0.4度，故其可能形成的誤差最小為0.05/0.6=8.3%，最大為0.5/3.3=15.15%，因最大尺寸變化量約為0.012，故其最大誤差為0.012*0.151=0.0018，在一般精度要求中也是完全可以接受的。

按前述統(tǒng)計(jì)方法獲取尺寸變化量與環(huán)境溫度數(shù)據(jù)后，利用MINITAB的擬合功能對(duì)尺寸變化量與環(huán)境溫度進(jìn)行分析，得出尺寸變化量Y與環(huán)境溫度T的回歸擬合方程：Y=-0.0207+0.0032*T2+0.000002*T3（如圖4），因其R-Sq為97.3%，故回歸方程可信，但會(huì)增加微小誤差。在得出擬合方程后則可提前計(jì)算出當(dāng)前要加工工件所處環(huán)境溫度下的孔徑尺寸變化量，加以預(yù)先控制即可。

說明：該擬合公式僅是本文所論述產(chǎn)品在其特定加工環(huán)境下所形成的，讀者不可照搬，受材料、切削液濃度、空氣濕度、工件表面空氣流速等各因素影響其擬合方程可能會(huì)有很大差異。

3.2 溫差控制法

3.2.1 溫差控制

因溫差為造成尺寸變化量的直接原因，故可直接縮小標(biāo)準(zhǔn)圈與工件的溫差來達(dá)到控制尺寸精度的目的，為此設(shè)計(jì)如圖5專用工裝。

工裝說明：要求標(biāo)準(zhǔn)圈可置于工裝上同時(shí)可被切削液澆注，以此來減小工件與標(biāo)準(zhǔn)圈間的溫差。同時(shí)在平面2上可融納另一連桿目的是為了延長其被切屑液澆注的時(shí)間從而進(jìn)一步縮小標(biāo)準(zhǔn)圈與連桿之間的溫差。

3.2.2 孔徑控制效果

由于標(biāo)準(zhǔn)圈一直處于切削液噴淋狀態(tài)，與工件噴淋持續(xù)時(shí)長不等，因此需要分析標(biāo)準(zhǔn)圈冷卻時(shí)間長短帶來的測量誤差。在環(huán)境溫度最高時(shí)采用專用工裝正常加工連桿，每隔一段時(shí)間記錄一次標(biāo)準(zhǔn)圈孔徑（如表1），生成孔徑隨時(shí)間變化曲線（如圖6）。

從以上數(shù)據(jù)可做以下理論推斷：因單根連桿加工時(shí)間約30分鐘，第一根及第二根連桿與標(biāo)準(zhǔn)圈是同步冷卻，溫差極小;加工第三根連桿時(shí)標(biāo)準(zhǔn)圈冷卻了約90分鐘，連桿冷卻了約60分鐘，誤差0.0124-0.0116=0.0008mm;加工第四根連桿時(shí)標(biāo)準(zhǔn)圈冷卻了約120分鐘，連桿冷卻了約60分鐘，誤差為0.0124-0.011=0.0014mm;隨著加工數(shù)量的增加，精度略有減低，但已經(jīng)很不明顯了，最大約為0.0124-0.01=0.002mm。

實(shí)際控制效果：采用專用工裝進(jìn)行加工，第一根、第二根連桿孔徑相差約0.0005mm，第三根相差約0.0015mm，第四根相差約0.0015mm，第六根相差約0.002mm。

控制效果提升：因前兩件工件與標(biāo)準(zhǔn)圈是同步冷卻，溫差極小，誤差約0.0005mm，為了進(jìn)一步提升控制精度故可考慮增加同步冷卻工件的數(shù)量，或可多備幾副標(biāo)準(zhǔn)圈重復(fù)循環(huán)使用，加工過程中讓連桿和標(biāo)準(zhǔn)圈始終保持同步冷卻。并在各環(huán)境溫度下進(jìn)行驗(yàn)證，測量數(shù)據(jù)如表2。

從表中可以看出，通過采用該控制法后，尺寸變化量由最大約0.012保持在了0.0003-0.0007之間，精度得到極大提升。

4 ?總結(jié)

綜上所述，對(duì)于一般精度要求的孔徑尺寸可考慮擬合公式法控制，但需大量數(shù)據(jù)作為分析基礎(chǔ)，同時(shí)應(yīng)注意數(shù)據(jù)收集的準(zhǔn)確性;對(duì)于有較高精度要求的孔徑尺寸則可采用溫差控制法中圖5所示方式進(jìn)行;若在有很高精度要求時(shí)則建議采用讓工件和標(biāo)準(zhǔn)圈始終保持同步冷卻的溫差控制法。

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