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细长锥孔零件精密加工工艺方法
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  • 锥型滤波凶零件是神光-Ⅲ空间滤波器 中重要的滤波功能元 件 。 ,实现对高 能量强激光滤 波 ,要求无堵孑L产生 ,其加工质量直接影 响该 工程 中强激光滤波效果。锥型滤波凶零件属于精密细长锥孔结构零件 ,孔径与孔深 比达 1:25,锥孔小端 口径小于2、锥角小于2。,要求锥面光洁度小于 RaO.2Ixm、锥孔与圆柱基准同轴度小于 4,0.005mm,且零件结构难以装夹定位 ,加工制造难度 大。 目前该光 学工程项目中的锥型滤波凶零件具 有尺寸规格种类 多、批量小的特点 ,因此 ,锥型滤波凶 的加工工艺还必须满足小批量、多规格的高效加工需求 。

    本文根据零件结构特点及制造 精度高 的要求 ,基于基准重合”和基准统-”的原则[3-4j,采用了延伸零件设计基准、统-设 计基准与装夹基 准和测量基准的加工思路 ,减小制造过程中的累计误 差、同时便于装夹加工和测量 同轴度。采用慢走丝线切割加工内锥孔 的工 艺方法 ,从加工工艺方案、工艺路线、装夹方法和工艺参数进行 了全面分析和优化设计 ,解决了零件难以加工、制造精度要求高等技术难题,加工质量和效率满足神光-Ⅲ空间滤波器对该 系列精密锥孔零 件多 规格 、小批 量、精度要 求高 的应用需求。

    1 零件结构与加工工艺分析空间滤波器中的锥 型滤波小孑L零件结构如 图 1所示 ,根据锥孔尺寸 d与 0的不同 ,该系列零件分为收稿 日期 :2012-05-08;修 回日期 :2012-07-04作者简介 :陈华(198O- ),男 ,四川达县人 ,中国工程物理研究院机械制造工艺研 究所工程 师,工学硕 士 ,研究方 向为精 密超精密制 造工艺(E-mail)mrchenhua###163.corn。

    · 1 l0· 组合机床与自动化加工技术 第 1期l6种规格、每种规格约 50件 ,零件材料为 OCrl8Ni9。

    分析零件结构与设计精度要求,其加工难点主要表现在 以下几方面 :(1)设 计 基 准 短 :该 系 列 零 件 设 计 基 准 为西15h5、长 3mm的圆柱段 ,装夹困难、定位精度差 ,以设计基准作为加工基准 ,装夹误差较大 ,难 以保证制造精度 ;设计基准短还导致测量零件形位精度困难 ;(2)精度要求高、内锥孔加丁难度大:锥型滤波小孑L零件属于典型细长孑L弱刚性结构 ,锥孑L小端 口径尺寸小于 <#2mm、深 50ram,其孔径深比达 1:25,难以采用普通切削方式加工锥孔;零件尺寸精度要求高 ,尤其是实现同轴度 0.005mm的要求难度大;(3)锥孔表面光洁度要求高 :细长锥孔内表面光洁度要求达 RaO.2 m,且要求无电腐蚀层;(4)零件规格种类多 、制造周期 紧,要求制造工艺效率高,以满足该重大光学工程项 目的进度需求 。

    ◎ 00.005- L n I A lB1 皇Z "/////// ; f-J3 i 0 B I50- 60 -图 1 锥型滤波小子L零件结构示葸图此外 ,零件材料 0Crl8Ni9偏软,装夹容易影响表面质量和形位精度。综上简要分析 ,细长锥孔 的加工工艺是实现该系列零件精密 、高效制造的关键 。

    在机械加工实际中,加工细长孔类零件 ,通常采用钻孔、研磨的工艺路线 ,按锥孑L凶端尺寸选择钻头 ,在小孑L端钻基准孔 ;按铰孔锥角在量具 刃具厂定制锥角铰刀(每种锥孔需定制相应铰刀),用锥角铰刀铰孔 ;并在量具刃具厂定制研磨头,按锥角角度磨制研磨头 ,如 图 2所示 ,研磨锥孔 。

    把手 磨头/±---上L ,图 2 锥孔研厝头示意 图在图 2中, 角为将要研磨的锥孔角度 ,西d小于要研磨锥孔小孑L端的孔径,西D大于要研磨锥孑L大孔端的孔径 。研磨时 ,分别选择粗级、中级 、细级和精细研磨膏,进行粗研、中研、细研和精研。该加工方法在生产实践 中应用广泛 。采用该方法制 造该 光学工程项 目中的锥型滤波凶 ,需要定制精 度非常高的锥角铰刀和研磨头 ,其刀具制造难度和成本非常高;而且,要实现锥孔与基准同轴度 0.005mlTI,其对操作技能水平要求高、难度大 、效率低。因此 ,该工艺方法加工该项 目中的滤波锥孑L零件可行性比较差。

    在现代机械制造业中,基于 自动化加工实现高效与质量可控的要求,目前对于该类结构精密零件的各种加工方法 ,线切割具有 明显 的优势 ,尤其是采用慢走丝线切割 加工细长深孔 ,能够获得非常高的尺寸精度 和高质 量的加工表面。但 由于锥型滤波凶零件 的设计基准短 、装夹误差大 ,导致零件尺寸精度低、-致性差 ,且装夹易划伤基 准面,影 响其表面质量和形位精度∩ 以采用基准转换 的工艺方案 ,如图 3所示。精加工内锥孔作为加T基准,严格控制内锥孔的-致性 ,并根据加工 的内锥孑L孑L配作 芯轴 ,芯轴两端 精研 中心孔;顶 芯轴两端磨 工件外 圆(设计基准段)。理论上该工艺方案可 以获得较高的同轴度精度,但经T艺试验证明,采用该工艺方案加工锥型滤波凶零件,其同轴度超过 0.Ot11m、锥孔小端尺寸超公差范围、且尺寸-致性差 ,分析其原 因如 下 :(1)装配芯轴与锥型滤波凶进行加丁时 ,锥孑L小端易被芯轴挤压变形 ,导致锥L/I,端 口径变大、几何尺寸精度超出公差范围;(2)由于配作 的芯轴属于细长轴 ,其 刚性差 ,磨削该芯轴难以控制其锥面精度。 轴锥角与锥孑L锥角之间的差值使两锥面贴合面间存在-定的间隙,如图4,导致锥孔零件无法稳固装夹,在磨削力作用下会产生让刀”现象,影响其加T精度 ;若芯轴的直线度差 ,锥孔零件 的装夹误差将进- 步恶 化零件的加东度中心孔 工件 芯轴图 3 基准转换加工方案示意 图图 4 配作芯轴与锥孔零件装 配间隙示意图鉴于以上丁艺方案存在 的不 足,新工 艺方案着力于控制零件同轴度为关键点 ,基于基准重合”和基准统-”的原则 ,延长设计基准并复制到装夹工装上,实现加工基准与设计基准的统-,便于快速装夹 、精密定位和找正 ,消除基准转移误差 、减小装夹定位误差,采用慢走丝线切割加工内锥孑L、珩磨锥孔去除电腐蚀层,实现其尺寸精度、形位精度和表 面光洁度满足设计要求。

    2013年 1月 陈 华,等:细长锥孔零件精密加工工艺方法2 加工工艺详细设计与制造锥型滤波d,TL零件的工艺路线如图5所示,粗车工件各段外 圆,控制各段加工余量;用 电火花做6o.8ram穿丝孔,作为后序加工的粗基准;修两端穿丝孔并顶其两端、半精车工件;然后铣扁工件尺寸13mm;研两端 中心孔 ,顶两端-次装 夹精磨外 圆各段 ,控制 ;bl5mm轴全段圆柱度在 4,o.0015mm以内;采用莫尔千分尺测量并记录工件 bl5mm实 际值 ;采用线切割加工装夹工装 V型定位面;装夹工件后 ,根据工件基准圆柱 实测值计算 电极丝 偏移量 ,采用 同- 台精 密慢 走丝 线 切割 加工 锥孔 ,控 制 同轴度 在4,0.005mm以内;镗工件沉孑L后采用珩磨工艺去除电腐蚀层、提高锥面光洁度。

    后序控制各加工面的加工余量、保证加工面与不加工面之间的位置精度。后序半精车以此为基准,确保各精加工尺寸有加工余量的前提下尽量减杏工余量,以利于后序精密加工。

    (2)半精基准研穿丝孔两端中心孔作为半基准,以此基准精磨外圆段,遵循了基准重合的原则,确保各尺寸精加工前余量均匀,并利于加工装夹。

    (3)精基准精基准应遵循基准重合原则和基准统-原则,减少因基准变更 带来的定位误差 ,同时应利 于加 工实施 ,减少装夹难度、提高装夹质量和效率。由于原设计基准为长 3ram的15mm圆柱端 ,装夹困难且定粗车 、---r 电火花 - 半精车 - 铣 --l 作穿丝孔l J 铣扁 l 粗车各段外圆 半精车各段 f为粗基准fr 磨 外圆磨 计量 线切割 、研两端中心 l精磨外圆 基准延伸 计量基准外圆 割工装V型面 准复制I 孔作为基准 记录实测值r 线切割 H 精测 、-..r 车 、 珩磨 № 验人扁割锥孔 J 测同轴度 J 镗孔 去电腐蚀层J 、- --,图 5 锥型滤 波小 孔工艺路线2.1 精度分析制造锥型滤波凶零件,难点在于控制其同轴度 0.005mm和细长锥孔面的粗糙度 RaO.2 m。其同轴度 的加工误差来 源主要包括基准误差 、装 夹误差、找正误差、机床定位误差等。采用如图5所示的工艺路线,采用精密磨床加工外圆基准,可以控制其圆柱度在 0.0015mm以内;采用 AGIE慢走丝线切割加工锥孔 ,设计如图 6所示 V型定位工装装夹工件 ,其装夹找正误差等效为工件基准外圆测量误差与机床的定 位 误 差 之 和 ,AGIE机 床 的 定 位 精 度 优 于0.001mm、位置检测控制精度达 0.1Ixm,工件基准外圆测量精度优于0.001 mm;结合机床误差补偿,累计误差可控制在 0.0025mm以内,可实现同轴度控制在西0.005mm以内。

    采 用 慢走 丝线 切 割加 工锥 孔 ,其粗 糙度 可 达RaO.4 m ~RaO.1Ixm,但零件锥孔面不允许 电腐蚀层存在。采用珩磨工艺去除电腐蚀层,可以提高光洁度 ,并且对零件尺寸精度和形位精度影响很小 ,经工艺试验及解剖精测结果证明,零件锥孔面的光洁度达 RaO.1 m、尺寸精度和形位精度基本未受影响。

    2.2 基准选择零件加工基准选择的优劣,对加工效率和加工质量影响很大 ,某些时候甚至成为工艺路线成败的关键。对于锥型滤波凶零件,其基准选择如下:(1)粗基准锥型滤波凶的粗基准选择 为电火花加工穿丝孔,-方面利于后序基准重复利用,另-方面有利于位精度差 ,以此 基准测量仪常 困难。因此 ,工艺方案延伸设计基准至全段,并采用 V型定位工装装夹,其中,V型定位面为其装夹固定好后,使用与加工工件锥孔的同-台精密慢走丝线切割机床加工 V型面,确保了加工基准与设计基准的统-,便于快速精确定位、同时将装夹误差降至最低。

    2.3 专用工装设计加工锥型滤波凶零件 ,其工装主要包括采用线切割加工锥孔的装夹工装与珩磨工装。线切割工装主要功能是实现工件的精确定位与快速找正,同时利于实现多规格、小批量生产的重复利用。基于此 ,设计 了如图 6所示 的工装 ,工件基准圆柱段与工装三线定位、螺栓紧固。定位工装-次装夹并 固定于线切割机床后不再取下 ,切割基准为 0、内切 圆半径为 JR的 型定位面 ,之后安装工件进行线切割基准平移。装夹工件的轴线中心为 0 ,O0 之间的偏移量为 :乩 (R -R)其中,尺为切割工装时内切圆的半径值,R 为锥型滤波d,TL基准圆柱的加工实测值 ,通过机床轴移动将基准从 0平移 乩 至 0 ,实现了加工基准与设计基准的统-,然后以0 为基准加工锥孔。通过控制线切割机床电极丝摆角,实现加工各尺寸规格的锥型滤波凶。

    图 6 线切 割工装 示意图珩磨工装如图7所示,珩磨下模与珩磨设备相连,珩磨上模与下模之间通过 M36螺纹连接,通过调节螺纹旋合长度,紧压锥型滤波凶两端面实现装· 1 1 2· 组合机床与自动化加工技术 第 1期夹 ,然后珩磨锥孔 此T装便于快速安装与拆卸、避免]二件挤压变形 ,同时保护1二件精密安装定位面 、图 7 珩屠 工装2.4 加工结果采用此T艺方案,首批加工 锥 型滤波凶零件共9种规格 、每种规格 8件 ,连同试验件共计76件由于零件锥孔孔深 、口径小 ,在生产实际中难以采用常规方法测量锥孔表 面光洁度。在本次试验和生产任务中,采用将产品沿轴线对称解剖后、使用泰勒接触扫描 式 轮廓 仪 120L(探针 半 径 2ixm、测量 范 围RaO.025~6.3 m)测量锥孑L内表面的方法测量锥孔面光洁度。其 中,先期加工的 2件试验件锥孔表面光洁度达 RaO.1 m,从剩余 74件产 品中随机抽取的2件进行解剖测量,锥孑L表面光洁度也达 RaO.1 m。

    测量凶锥角 、小孑L与外圆基准同轴度采用 圆度仪 Talyround300,该仪器的旋转工作台具备调平和凋心 功 能 ,同转 精 度 0.025Ixm、径 向 误 差 小 于0.15Ixm0.001H、轴 向误差小于 0.1Ixm。在工件外网柱段作旋转起 始标 志位 ,在圆度仪旋转工作 台上夹下件-段(基准)外圆柱,扫描 (基准 )外 圆柱面 ,利用 自动调平和调心功能找正工件 ,扫描约 10cm-段内锥孔 (由于锥孑L口径小 ,测头无法继续 伸入更深 );然后调头重新装夹工件-段 (基准 )外 圆柱 ,确保旋转起始标志位方位-致 ,再次扫描 (基准 )外圆柱面,利用 自动调 平和调 心功能找正 工件 ,扫描约lOem-段内锥孔 ;根据两次扫描结果计算凶锥角和同轴度 ,精测所有锥型滤波小孑L,锥角满足设计要求、锥 孔 与 外 圆基 准 同 轴 度 为 西0.002ram ~西0.004mm,产品合格率 1 0%。

    3 结论采用该丁艺方法加T锥 型滤波凶,加工质量满足设计要求 ,锥孔光洁度达 RaO.1 Ixm、锥孔与外圆柱基准同轴度为 西0.O02mm ~西0.O04mm,加工质量稳定、尺寸-致性好。神光 -Ⅲ 装置两路达标 实验验证丫锥型滤波 小孑L的滤波性 能 ,实现 了高能量滤波并且无堵孔产生 ,满足该光学工程装置 的应用需求。

    该丁艺方法正应用于神光 -Ⅲ 空间滤波器后续批次锥型滤波凶 的制造。

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