空間微型半盲倒錐孔高效加工技術(shù)

王聯(lián)融，屈旭琪，吳宏寶，郭娜

山西航天清華裝備有限責任公司 山西長治 046000

1 序言

空間微型半盲倒錐孔廣泛用于各類旋轉(zhuǎn)副的設(shè)計中，具有限位精準、旋轉(zhuǎn)傳動靈活的優(yōu)點。半盲倒錐孔是指相對于刀具進給方向，錐孔外側(cè)孔徑小于內(nèi)側(cè)孔徑，且具有一定角度的孔，機床切削無法實現(xiàn)錐形銑刀自動進刀和退刀，普通機械加工刀具無法滿足加工要求，加工過程中對操作人員技術(shù)水平和加工經(jīng)驗要求高，同時產(chǎn)品尺寸精度及內(nèi)孔表面粗糙度要求高，使得加工過程難度加大，生產(chǎn)效率較低，因此此類問題亟待解決[1]。

2 零件加工難點與問題分析

某產(chǎn)品長軸如圖1所示，其外形為細長空心桿，加工過程因零件尺寸公差范圍小、裝夾方式和基準的不正確選擇使圓周均布的3個錐形孔回轉(zhuǎn)精度得不到保證。倒錐孔設(shè)置于細長桿管壁上，沿圓周方向均布3個，與錐孔配合的鋼球包容量僅0.1mm，只有選擇恰當?shù)难b夾方法，才能保證同軸度0.03mm的要求。該倒錐孔呈上窄下寬的形式，錐孔段角度為13°，長度為（2.5±0.05）mm，口徑為5.90-0.05mm，直孔段孔徑為6.5+0.050mm，因此為半盲加工，錐孔內(nèi)壁表面粗糙度值要求為Ra=1.6mm。加工完成后，需同時將3件6mm鋼球從管壁內(nèi)側(cè)放入錐孔內(nèi)，若鋼球一端在口徑φ5.90-0.05mm處不掉出，且鋼球在管壁內(nèi)側(cè)漏出的部分不影響長軸內(nèi)孔安裝的心軸往復(fù)移動，即為合格。

該錐孔口徑小、內(nèi)徑大的特殊性，使加工難度增大。另外倒錐孔加工完成后因存在接刀痕，致使產(chǎn)品一致性差，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品合格率不足50%；加工過程占用五軸數(shù)控機床，加工成本高。

圖1 倒錐孔結(jié)構(gòu)示意

3 改進方案

為滿足尺寸加工精度，傳統(tǒng)加工方式選擇高精度五軸精密加工中心，使用自定心卡盤臺階式爪片裝夾零件底端，裝夾厚度5mm，如圖2所示。加工時使用兩把磨削銑刀進行錐孔復(fù)合加工，首先使用φ5mm鉆頭預(yù)鉆底孔，手工刃磨出高速鋼錐孔銑刀和高速鋼T形銑刀，然后用錐孔銑刀加工錐孔上端φ5.90-0.05mm，長度為（2.5±0.05）mm，再用φ5.5mm T形銑刀進行錐孔下端φ6.5+0.050mm加工，通過兩把磨削銑刀刀具半徑補償?shù)母淖儊肀ＷC相應(yīng)尺寸。

因為零件底端與內(nèi)孔、外圓不是一次加工成形，所以無法滿足零件同軸度0.03mm的要求。另外該裝夾方式裝夾長度較短，距離加工位置遠，零件伸出長度過長，加工時“發(fā)顫”現(xiàn)象嚴重，加劇了刀具異常磨損，導致加工位置回轉(zhuǎn)精度無法保證。由于兩把刀復(fù)合加工，加工完成后錐孔會出現(xiàn)明顯接刀痕，不符合Ra=1.6mm的表面粗糙度要求，影響產(chǎn)品質(zhì)量。同時該方案需要技術(shù)人員有較高的磨削刀具技術(shù)和加工經(jīng)驗，若磨削誤差大，不僅會對刀具使用造成浪費，增加加工成本，而且生產(chǎn)效率低，極易造成產(chǎn)品報廢[2]。

通過現(xiàn)狀分析，改進方案：選用立式四軸加工中心，以內(nèi)孔為基準，采用“一夾一頂”方式進行裝夾，如圖3所示?！耙粖A一頂”裝夾方式提高了細長桿零件的支撐剛性，且基準選擇合理，這樣既能夠保證零件的同軸度和回轉(zhuǎn)精度，又可使零件前后軸向圓跳動公差得到有效控制。

圖2 五軸加工中心裝夾方式

圖3 四軸加工中心裝夾方式

4 技術(shù)方案實施

改進方案選用四軸加工中心，采用“一夾一頂”方式以內(nèi)孔為基準進行裝夾，先用φ5mm鉆頭預(yù)鉆底孔，然后使用硬質(zhì)合金錐度銑刀和硬質(zhì)合金T形切槽刀進行粗加工。精加工過程若按傳統(tǒng)方案加工，依然存在接刀痕問題，因此需重新設(shè)計加工方案，確保錐孔一次成形。

為解決這一加工難題，對半盲倒錐孔的可加工性進行分析，根據(jù)該半盲倒錐孔的加工要素設(shè)計出符合該倒錐孔一次加工成形的倒錐銑刀，解決了普通切削刀具無法加工的瓶頸問題。

4.1 設(shè)計加工刀具

為解決傳統(tǒng)倒錐孔加工接刀痕問題，提高加工效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，根據(jù)倒錐孔實際的加工要求，通過縮小孔樣比例，計算出適用于該倒錐孔加工的錐度銑刀直徑[3，4]。

該倒錐孔錐度銑刀為錐孔的縱截面（外寬內(nèi)窄的等腰梯形）結(jié)構(gòu)，根據(jù)倒錐孔截面形狀等比縮小，刃部由直線段及錐段組成，以便刀具順利伸入預(yù)鉆底孔，依靠錐段加工倒錐孔一次成形。特別需要注意的是在滿足倒錐孔成形加工的前提下，該倒錐孔錐度銑刀直徑應(yīng)盡量較大，但需小于預(yù)鉆孔直徑，這樣可以提高刀具切削剛性，從而更好地保證零件的表面粗糙度。加工前使用對刀儀進行刀具半徑補償和刀具長度補償，編程時倒錐孔加工刀具Z向切削深度為上端直徑銑刀長度加錐孔錐度部分的深度，切削時根據(jù)對刀儀實際半徑進行半徑補償。

專用銑刀設(shè)計樣式如圖4所示，與常規(guī)銑刀結(jié)構(gòu)相同，分為刃部、頸部和柄部三部分。

圖4 專用銑刀設(shè)計樣式

該銑刀主要尺寸如圖5所示，刀具直徑為5 m m，刃長分為直線段及錐度段，總?cè)虚L為9.4mm，錐度為13°；頸部直徑為4mm，頸部長度為7mm，根部設(shè)計有R0.2mm圓角，避免使用時應(yīng)力集中；柄部長度為30mm，柄部直徑為6mm，銳邊倒鈍為C0.5mm。

圖5 銑刀尺寸示意

4.2 改進后加工效果

（1）檢測方法 倒錐孔加工完成后，需使用專用工裝進行檢測，該錐孔檢測工裝由工裝心軸、工裝套筒及6mm鋼球組成，檢測工裝如圖6所示。

圖6 檢測工裝示意

檢測時錐孔需同時滿足以下3個條件視為合格。

1）受檢長軸使用清洗劑清洗吹干后，將3個鋼球從長軸內(nèi)側(cè)放入長軸錐孔內(nèi)，逐一檢查3處錐孔，鋼球不能從錐孔掉落。

2）受檢長軸、3個鋼球和工裝心軸按圖7a所示裝配，檢查心軸大徑段在長軸內(nèi)孔中滑動是否順暢、無卡滯。

3）受檢長軸、3個鋼球、工裝心軸及工裝套筒按圖7b所示裝配，檢查工裝套筒在長軸表面滑動是否順暢、無卡滯。

（2）檢測結(jié)果 使用本文所述的專用銑刀后，隨機抽取所加工的30件長軸進行錐孔檢測，檢測結(jié)果全部合格，具體數(shù)據(jù)見表1。

圖7 檢測工況

表1 改進后檢測數(shù)據(jù)

通過對以上加工方案、刀具、切削參數(shù)及加工程序的優(yōu)化和改進，加工產(chǎn)品的合格率由不足50%提升到100%，加工效率提高了3倍，零件尺寸精度、幾何公差及表面粗糙度均符合圖樣要求。以四軸加工中心替代五軸加工中心，緩解了關(guān)鍵設(shè)備占用時間過長的問題，同時此成果也可以在其他產(chǎn)品錐孔加工中推廣使用。

5 結(jié)束語

本文所述方案實現(xiàn)了微型半盲倒錐孔的一次性成形加工，突破了普通加工方式需二次換刀的加工技術(shù)瓶頸。經(jīng)過實際生產(chǎn)的檢驗，該方案提升了產(chǎn)品的加工質(zhì)量。此方案不限于上述案例，還可以在不脫離本方案宗旨的前提下作出各種變化，推廣到各類倒錐孔的加工方案中。