一種精密轉盤的加工工藝研究*

趙 帥 楊崇倡 吳瑛戟

(①東華大學機械工程學院，上海 201620;②真彩文具股份有限公司，江蘇 昆山 215343)

轉動圓盤是高精度筆頭多工位機床的分割回轉工作臺，是整個機床的關鍵核心零件，其加工質量直接影響著整機的性能、精度和壽命。精密多孔轉盤材料為球墨鑄鐵，屬于多孔盤類結構件，其外形如圖1 所示。該工件加工精度要求很高，國內多家企業和研究所曾立項研制，但精度并不能滿足使用要求，待進一步提高。為此筆者經過多次試驗，提出了一套針對該工件的工藝方案，經測試驗證，完全達到了工件技術要求。

圖1 精密轉盤零件

1 工件結構和加工難點

轉動圓盤工件結構如圖2 所示，該工件外廓尺寸大，轉盤臺面上孔的尺寸精度、形位精度的要求均很高，這是工件是否能加工成功最為關鍵的部分。工件孔徑尺寸精度為±5 μm，孔極半徑精度為0.015 mm，孔間極角精度為4″，圓度精度為8 μm，特別是孔間位置極角精度，經弧長計算(圓心角極小，弦長約等于弧長)，精度在5 μm 左右，國內普通機床難以達到這一要求。

圖2 轉盤工件簡圖

此外，由于工件厚度較薄，整體精度要求很高，若使用傳統夾具，裝夾時夾緊力過大，易導致工件發生塑性變形，影響工件的形位公差。

2 工件加工工藝的制訂

2.1 加工方式的選擇

根據轉盤結構特點和精度要求，工件關鍵工藝主要選用在雙立柱式坐標鏜床上完成。該機床具有精密坐標定位裝置，整體剛性很高，主要應用在高精度孔徑、孔系工件的加工，也可用于銑削。

在單件、小批量生產中，通常采用坐標法鏜孔，即通過機床縱、橫導軌移動來調整工件與刀具的相對位置。用這種方法加工轉盤工件，加工效率低，且孔系間相對位置不易保證。若采用分度法加工，將工件安裝在機床的回轉工作臺上，由轉臺旋轉來實現工件加工位置變化，這樣在加工兩孔的過程中，機床縱、橫導軌沒有產生運動，工件孔系間位置精度完全轉化為由回轉精度來保證，因此優于坐標法鏜孔。經試驗和對比，選用分度盤式的數顯轉臺，其分度精度可達2″，完全滿足孔系位置精度要求。

在轉臺操作前，應注意以下兩點:(1)對轉臺回轉精度影響最大的是工件軸線與回轉工作臺軸線的重合度;(2)轉臺的分度精度取決于分度盤，也受轉臺主軸和分度盤同軸度影響。因此在加工前，一定要確保對轉臺檢測校正。

2.2 工件加工路線

按照基準先行、先面后孔、先粗后精的原則，轉盤工件具體的工藝流程如圖3 所示。粗車工件內外圓面，去除工件大部分加工余量;為后續工序作基準，在車削后安排一道粗銑工序，采取一次走刀銑完;在坐標鏜床的主軸錐孔上先安裝鉆夾頭，進行鉆孔加工，再粗鏜各孔及凹槽;在粗加工結束后要安排一道檢驗工序，檢查工件是否有裂紋、氣孔等缺陷，采用X 射線檢驗;自然時效處理，將工件放置室外半年時間，以消除加工過程產生的應力;精車轉盤內外圓表面，由于內圓精度要求比外圓高，應先以內圓為基準加工外圓，再以外圓為基準加工內圓;精銑轉盤上下端面，銑削余量在1 mm以內;半精鏜各孔及凹槽，預留加工余量應控制在0.03 mm 以內;采用深冷處理工藝，以消除由于切削熱和切削力而引起的不穩定組織，提高工件的尺寸精度和耐磨性;精鏜各孔及凹槽，最后一刀的單邊加工余量應控制在0.01 mm以內。

圖3 工件工藝流程圖

2.3 工件裝夾的選擇

考慮到夾具的夾緊力約束，工件裝夾方案采用液固兩相轉變性質將工件固定。目前這類介質主要有石蠟基、水基和低熔點合金3 種，石蠟基由于其固緊力小，主要應用在切削用量極小的工件;水基主要應用在有規則平面的工件上，但在低溫環境加工出的工件尺寸穩定性差，不適用于精密制造;低熔點合金主要應用于低剛性工件?；谝陨辖橘|應用范圍，在精加工環節采用蠟固夾具，為增大介質粘結力，石蠟溶液中還添加了相當比例的松香，裝夾方法如圖4 所示，裝夾固定后整個加工過程轉盤工件位置不變，提高了孔系和凹槽的同心度。工件以內圓為定位基準，先將已溶化的石蠟注入底面空腔，工件內圓最后注入石蠟溶液，溶液冷卻前工件應在夾具內調整至正確位置。凸臺平板底面需要磨平，底面孔用于出氣，使石蠟溶液充滿整個夾具。由于介質會因溫度升高而變軟，故加工過程中可稍作幾分鐘停留，以冷卻介質。加工完成后，將夾具和工件浸入熱水中，即可分離石蠟介質和工件。

圖4 工件裝夾示意圖

2.4 刀具材料、切削用量的選取

針對轉動圓盤工件高精度特點，在中加工和精加工中主要選用PCBN 和PCD 材料的刀具，如銑刀、鏜刀。這種超硬質材料刀具廣泛應用于高精密加工中，其具有高的耐磨性、良好的抗彎強度的特點，加工后工件表面的精度好，殘余應力也相對穩定。

轉盤切削用量的確定主要考慮加工表面質量、刀具磨損以及加工成本，在轉盤切削工藝中，鏜孔切削用量是整個切削工藝用量的重點。粗鏜時應采用較大的背吃刀量，以去除工件硬皮層，避免刀尖過早磨損，并配以較低的切削速度;精鏜和半精鏜因考慮表面質量要求，采用較小的背吃刀量和進給量，因此切削速度較大，同時避免產生積削瘤和鱗刺，具體參數見表1。

表1 鏜孔切削用量推薦表

圖5 轉盤Φ25 mm 孔極半徑分布

圖6 轉盤Φ25 mm 孔極角偏差

圖7 轉盤Φ25 mm 孔直徑分布

3 工件加工精度的檢測

為了獲取可靠檢測數據，采用三坐標測量機對轉盤進行測量，建立工件的極坐標系，檢測各分項點，其檢測精度為(0.3 +1 000/L)μm，測量結果完全符合零件的設計使用要求。以轉盤臺面Φ25 mm 孔的測量結果為例，由圖5～8 可知，24 個孔的最小極半徑大于279.986 0 mm，極角精度偏差在±4″內，孔徑上下偏差為mm，圓度誤差小于0.008 mm，其加工結果完全符合零件的加工設計要求。

圖8 轉盤Φ25 mm 孔圓度分布

4 結語

高精度旋轉圓盤是整個筆頭多工位機床加工精度的核心和保障，通過技術攻關，解決了加工設備、裝夾及切削用量等工藝問題，最終達到了高精密轉動圓盤的加工精度要求，滿足了轉盤單件小批量的應用需求，為類似精密多孔轉盤零件加工提供一定的借鑒。

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