大尺寸高精度錐軸工件精加工過程檢測及補償方法研究

胡常安 杜文波 周銘堯

(中國測試技術研究院，四川成都610021)

車床廣泛應用于大型軸類工件的加工制造,一般 錐軸類工件的精加工均選擇數控臥式車床.而精度較高的臥車在加工軸外圓時也需要直徑補償[1],因此,大型錐軸類工件錐度準確加工的必要前提是在其加工過程中進行檢測,并根據測量結果選擇相應的補償量,以此調整后續加工.由于大型臥式車床自身存在補償工件重量的位移間隙[2],從而使得加工過程測量與補償對大尺寸、高精度錐軸類工件的精加工工藝系統尤為重要,因而圍繞有效性和高效性的加工過程測量檢具設計受到了工程技術人員的廣泛關注.

美國威斯康新大學吳賢銘教授首先在磨削加工中實施DDS方法補償工件的錐度和圓跳動誤差取得成功[3],Wisconsin大學對外圓磨床主軸徑向誤差建模補償,補償后工件錐度段的圓跳動由0.74 μm減小到0.375 μm[4].文獻[5]采用卡爾曼濾波方法測量圓跳動誤差,有效地提高了外圓磨削中軸類工件的精度.現有技術中,文獻[6]公開了一種錐度的檢具.通過在檢具中增加定位套大大提高了測量錐度的準確性,減小了測量誤差,但由于該技術方案具有固定的測量底板,使得這種測量裝置只能應用于產品終檢,不能作為過程檢具.文獻[7]中的錐度檢具是通過在錐面上涂抹紅丹粉,采用另一個標準的工件相互接觸,觀察兩者充分接觸后紅丹粉的接觸面積評價錐度加工的準確性,然而,該方法不能獲得錐度偏差的準確數值,從而不能進一步通過測量反饋加工過程,無法起到補償和指導加工的作用.傳統的誤差補償方法是通過在機測量工件尺寸、適時調整磨耗值來實現,或應用中心架、跟刀架、導套等輔助工具進行誤差補償.但是,這些補償方法調整難度大,對操作者要求高,并且生產效率低,特別是在批量加工中更為突出[8].

開發能夠用于錐度加工過程的檢測裝置,并得到準確檢測結果,能夠有效指導加工過程,并提高加工效率.現有該領域工程技術中,還有的錐度檢具[9-11]由于其結構尺寸限制也只能應用于小件產品的終檢,不能應用于加工過程測量,而三坐標檢測裝置作為離線測量工具也不能在加工過程中進行快速測量,只能作為加工產品的終檢檢具且檢測效率低.一般大型軸類工件的精加工均選擇數控臥式車床,其加工過程的直徑補償仍然是保證產品精加工質量的重要工藝途徑.因此,大型錐軸類工件準確加工的必要前提是加工過程中進行檢測,并根據測量結果選擇相應的補償量,以此調整后續加工.

基于以上情況,本研究根據錐度和圓跳動公差的計算公式,設計一種能方便應用于大型錐軸類工件加工過程中的錐度檢具,通過該檢具準確獲得實際錐度與理論錐度的偏差值及加工誤差位置,進一步指導后續加工,提高大型高精度錐度軸類工件的一次成形率和加工精度,提高高精度產品的生產效率.

1 某礦機錐主軸加工精度簡介

礦機是礦山生產中重要的設備,它的可靠性直接關系到礦山生產效益和安全.主軸是礦機承載的主要零件,礦機的主要工作構件如卷筒、軸承、離合器以及聯軸器等均安裝在主軸上.其工作環境惡劣,需承受較大的扭轉載荷.因其設計精度和加工精度直接決定了主軸的承載能力及其使用壽命,因此其傳送扭矩的主軸的可靠性極為重要.

某大型礦機主軸的設計精度如圖1所示,由直段和錐段兩部分構成,總長2 010 mm,其中錐段長度1 000 mm,小端直徑560 mm,大端直徑660 mm,通過一過渡直段和弧面過渡至直段,直段直徑640 mm.其錐段大端直徑設計的尺寸公差上下線分別為0.00 mm和0.10 mm,圓跳動公差為0.05 mm,且錐段表面粗糙度為Ra0.8 μm.據此,錐度的計算公式為:

式中:C為錐度；dmas為錐段的大端直徑；dmin為小端直徑；L為錐段的總長.

據式(1)可知其錐段全長范圍的錐度公差為:

由此可見,其錐度公差非常嚴格,加之其粗糙度要求高,如果在錐段的加工過程中造成少量偏差,均會導致加工報廢,而且粗糙度為Ra0.8 μm均需要精磨達到要求,如果精加工已經達到錐度公差下限,則精磨過程仍然會導致錐度不合格.

該礦機主軸按其整機型號不同,共有8中規格的主軸,但其錐段的錐度公差和錐度值以及圓跳動公差均相同.因此,設計一款檢具可應用于該主軸8中型號的主軸錐度測量.

2 錐度檢具的設計及檢測方法

2.1 錐度檢具設計

根據式(1)所示錐度的計算公式,表征錐度公差大小的量分別由其大端直徑和小端直徑的公差大小所決定,而本文所研究的對象的設計圖紙中,小端直徑固定(作為錐度計算的參考值),大端直徑存在一定的尺寸公差.由此,可結合式(1)和設計圖紙,分別設計兩個大小不等的錐度環規,其內錐度尺寸由圖紙設計尺寸決定.設計的錐度環規使用如圖2所示.

其中,小端錐度環規的內錐度尺寸和大端錐度環規的內錐度尺寸分別根據錐度計算公式(1)中的dmax和dmin轉換而來,環規內錐度公差按照式(2)計算錐度確定,取其標準值0.010 0所對應的角度為標準錐度角.

2.2 精加工錐度的過程檢測方法

由于檢具的加工過程也存在加工誤差,為保證兩錐度環規間軸向距離測量的準確性,在錐度環規的兩側面分別設計安裝一測量塊(圖2a),用于測量量錐度環規之間的軸向距離(圖2b).測量塊選用厚度為10 mm的標準量規.

本裝置所采用的測量原理是將錐度的測量轉換為兩測量塊間軸向距離的測量.通過測量兩標準測量塊之間的距離判斷錐度加工的準確性.若測量距離等于設定的標準距離,則被測零件的加工錐度符合設計錐度；若測量值大于設定的標準距離,則工件的錐度小于標準錐度,且大于設計距離的差值可反映出實際加工錐度與標準錐度的偏差量,反之亦然.具體的測量步驟如下:

(1)測量前準備

將兩套錐度環規內錐面清理干凈以防止異物進入錐度環規與被測量錐軸表面之間,導致錐度環規不能與被測工件緊密裝配、影響測量數據準確性.

(2)裝卡

依次將大小錐度環規從被測量錐軸小端套入軸上并輕擊錐度環規使其與被測錐軸完全接觸,然后采用厚度為0.01 mm的塞尺檢測錐度環規與被測軸外錐面之間的空隙,若局部發現對稱位置均存在塞尺可進入的現象,則為錐度環規與被測軸裝卡不正確,需要輕擊錐度環規直至塞尺不能進入；若只在單側存在空隙,塞尺可進入則說明錐軸段加工圓跳動誤差較大,依次選擇厚度逐漸增加的塞尺進行測量,可確定圓跳動值；若0.01 mm厚塞尺不能進入錐度環規與被測軸任何接觸位置,則裝卡完畢.

(3)錐度測量

采用內徑千分尺測量兩錐度環規上測量塊3和6之間的軸向距離L1,通過將此軸向距離與標準距離進行對比判斷測量錐度與設計錐度的接近程度,若測量值偏大說明被測工件的錐度小于標準錐度,反之亦然.

根據本研究對象錐度段的設計要求,本裝置測量所獲得的L1的數值應在表1所示的范圍內,即轉化為長度尺寸公差為mm.

表1 符合加工精度的L1取值范圍

為使得本裝置應用于錐軸類工件的精加工過程測量,在錐軸工件裝卡之前,首先需將本裝置采用氣泡膜包裹并套在臥車尾頂尖固定支座上,為保證軸類工件加工過程中本裝置不隨工件轉動的基礎上進行固定.由此決定了錐軸工件加工時需將工件的小端固定在尾頂尖位置,將大端裝卡于車床卡盤卡爪中.

3 主軸錐段精加工工藝安排

為保證加工精度,避免重復裝卡造成的定位誤差,本研究對象錐軸粗精加工均采用同一臺臥式車床完成.在裝卡毛坯前先將錐度環規按照測量順序反向固定安裝在車床尾頂尖處,并將主軸工件小端用尾頂尖頂緊后開始加工.按照機床和加工刀具性能,粗加工結束后,錐段直徑方向留有0.7 mm余量用于精加工.具體工藝安排如圖3所示.

粗加工結束后首先進行直徑方向切削量為0.3 mm的精加工第一序,該序能保證錐度表面具有較好的粗糙度用于錐度環規的檢測,通過精加工第一序加工后的測量,可獲得當前狀態下錐段錐度的偏差位置和偏差量,將誤差值反饋至精加工第二序便可將其補償,第二序為了獲得較好的表面粗糙度,切削量修改為0.2 mm,可同時獲得設計要求的錐度和粗糙度,為保證精加工兩序結束后仍可進行微調,粗加工階段留有的余量還有0.2 mm,此時仍然重復測量并可以再進行誤差補償動作,使其偏差值降低至最小.

4 錐度檢具的加工過程實驗和應用

將本裝置和其檢測方法應用于某型號錐度主軸的實際加工過程.根據精加工錐度的過程檢測方法對主軸錐段精加工過程進行了檢測,第一序后獲得的L1為999.043 0 mm,按照錐度補償方法,保持小端直徑不變,在加工程序中將大端直徑減小0.010 mm,并進行精加工第二序,加工后獲得的錐度符合設計錐度.

將該補償方法用于該種產品的批量加工,總結加工過程可知,80%以上產品均在精加工第二序可獲得與設計錐度相符的加工精度,僅有少量需要補償兩次,即精加工第三序獲得設計的要求.

5 結語

(1)大型高精度錐軸類工件錐度加工的準確性是評價錐軸類工件加工精度的重要因素,本研究提供了一種大型錐軸類工件錐度加工過程的專用檢具和相應的加工補償方法.

(2)用于大型錐軸類工件錐度的檢測裝置可在工件加工過程中進行測量,提高了高精度產品的一次裝夾加工成功率和加工精度.

(3)錐度檢測裝置用于加工過程中測量時,可方便準確獲得錐度加工誤差的準確值和誤差位置,對此偏差量進行分析可用于指導后續補刀加工,提高了高精度錐度段尺寸合格率.