空間微型半盲倒錐孔高效加工技術(shù)

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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(jì)中，具有限位精準(zhǔn)、旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)靈活的優(yōu)點(diǎn)。半盲倒錐孔是指相對(duì)于刀具進(jìn)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(jī)床切削無(wú)法實(shí)現(xiàn)錐形銑刀自動(dòng)進(jìn)刀和退刀，普通機(jī)械加工刀具無(wú)法滿足加工要求，加工過(guò)程中對(duì)操作人員技術(shù)水平和加工經(jīng)驗(yàn)要求高，同時(shí)產(chǎn)品尺寸精度及內(nèi)孔表面粗糙度要求高，使得加工過(guò)程難度加大，生產(chǎn)效率較低，因此此類問(wèn)題亟待解決[1]。2

零件加工難點(diǎn)與問(wèn)題分析某產(chǎn)品長(zhǎng)軸如圖1所示，其外形為細(xì)長(zhǎng)空心桿，加工過(guò)程因零件尺寸公差范圍小、裝夾方式和基準(zhǔn)的不正確選擇使圓周均布的3個(gè)錐形孔回轉(zhuǎn)精度得不到保證。倒錐孔設(shè)置于細(xì)長(zhǎng)桿管壁上，沿圓周方向均布3個(gè)，與錐孔配合的鋼球包容量?jī)H0.1mm，只有選擇恰當(dāng)?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(zhǎng)度為（2.5±0.05）mm，口徑為5.9mm，直孔段孔徑為6.5mm，因此為半盲加工，錐孔內(nèi)壁表面粗糙度值要求為Ra=1.6μm。加工完成后，需同時(shí)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φ5.9mm處不掉出，且鋼球在管壁內(nèi)側(cè)漏出的部分不影響長(zhǎng)軸內(nèi)孔安裝的心軸往復(fù)移動(dòng)，即為合格。圖1倒錐孔結(jié)構(gòu)示意該錐孔口徑小、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(guò)程占用五軸數(shù)控機(jī)床，加工成本高。3

改進(jìn)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(pán)臺(tái)階式爪片裝夾零件底端，裝夾厚度5mm，如圖2所示。加工時(shí)使用兩把磨削銑刀進(jìn)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φ5.9mm，長(zhǎng)度為（2.5±0.05）mm，再用φ5.5mmT形銑刀進(jìn)行錐孔下端φ6.5mm加工，通過(guò)兩把磨削銑刀刀具半徑補(bǔ)償?shù)母淖儊?lái)保證相應(yīng)尺寸。圖2五軸加工中心裝夾方式因?yàn)榱慵锥伺c內(nèi)孔、外圓不是一次加工成形，所以無(wú)法滿足零件同軸度0.03mm的要求。另外該裝夾方式裝夾長(zhǎng)度較短，距離加工位置遠(yuǎn)，零件伸出長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，加工時(shí)“發(fā)顫”現(xiàn)象嚴(yán)重，加劇了刀具異常磨損，導(dǎo)致加工位置回轉(zhuǎn)精度無(wú)法保證。由于兩把刀復(fù)合加工，加工完成后錐孔會(huì)出現(xiàn)明顯接刀痕，不符合Ra=1.6μm的表面粗糙度要求，影響產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)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(yàn)，若磨削誤差大，不僅會(huì)對(duì)刀具使用造成浪費(fèi)，增加加工成本，而且生產(chǎn)效率低，極易造成產(chǎn)品報(bào)廢。通過(guò)現(xiàn)狀分析，改進(jìn)方案：選用立式四軸加工中心，以內(nèi)孔為基準(zhǔn)，采用“一夾一頂”方式進(jìn)行裝夾，如圖3所示?！耙粖A一頂”裝夾方式提高了細(xì)長(zhǎng)桿零件的支撐剛性，且基準(zhǔn)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(dòng)公差得到有效控制。圖3四軸加工中心裝夾方式4

技術(shù)方案實(shí)施改進(jìn)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(zhǔn)進(jìn)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(jìn)行粗加工。精加工過(guò)程若按傳統(tǒng)方案加工，依然存在接刀痕問(wèn)題，因此需重新設(shè)計(jì)加工方案，確保錐孔一次成形。為解決這一加工難題，對(duì)半盲倒錐孔的可加工性進(jìn)行分析，根據(jù)該半盲倒錐孔的加工要素設(shè)計(jì)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(wú)法加工的瓶頸問(wèn)題。4.1設(shè)計(jì)加工刀具為解決傳統(tǒng)倒錐孔加工接刀痕問(wèn)題，提高加工效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，根據(jù)倒錐孔實(shí)際的加工要求，通過(guò)縮小孔樣比例，計(jì)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(duì)刀儀進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償和刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償，編程時(shí)倒錐孔加工刀具Z向切削深度為上端直徑銑刀長(zhǎng)度加錐孔錐度部分的深度，切削時(shí)根據(jù)對(duì)刀儀實(shí)際半徑進(jìn)行半徑補(bǔ)償。專用銑刀設(shè)計(jì)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(jì)樣式該銑刀主要尺寸如圖5所示，刀具直徑為5mm，刃長(zhǎng)分為直線段及錐度段，總?cè)虚L(zhǎng)為9.4mm，錐度為13°；頸部直徑為4mm，頸部長(zhǎng)度為7mm，根部設(shè)計(jì)有R

0.2mm圓角，避免使用時(shí)應(yīng)力集中；柄部長(zhǎng)度為30mm，柄部直徑為6mm，銳邊倒鈍為C

0.5mm。圖5銑刀尺寸示意4.2改進(jìn)后加工效果（1）檢測(cè)方法倒錐孔加工完成后，需使用專用工裝進(jìn)行檢測(cè)，該錐孔檢測(cè)工裝由工裝心軸、工裝套筒及6mm鋼球組成，檢測(cè)工裝如圖6所示。圖6檢測(cè)工裝示意1—鋼球2—工裝套筒3—工裝心軸檢測(cè)時(shí)錐孔需同時(shí)滿足以下3個(gè)條件視為合格。1）受檢長(zhǎng)軸使用清洗劑清洗吹干后，將3個(gè)鋼球從長(zhǎng)軸內(nèi)側(cè)放入長(zhǎng)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(zhǎng)軸、3個(gè)鋼球和工裝心軸按圖7a所示裝配，檢查心軸大徑段在長(zhǎng)軸內(nèi)孔中滑動(dòng)是否順暢、無(wú)卡滯。3）受檢長(zhǎng)軸、3個(gè)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(zhǎng)軸表面滑動(dòng)是否順暢、無(wú)卡滯。（2）檢測(cè)結(jié)果使用本文所述的專用銑刀后，隨機(jī)抽取所加工的30件長(zhǎng)軸進(jìn)行錐孔檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果全部合格，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。表1改進(jìn)后檢測(cè)數(shù)據(jù)

a）檢測(cè)工況1b）檢測(cè)工況2圖7檢測(cè)工況通過(guò)對(duì)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(jìn)，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(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，同時(shí)此成果也可以在其他產(chǎn)品錐孔加工中推廣使