一种精密转盘的加工工艺研究*

2014-04-06杨崇倡吴瑛戟

制造技术与机床 2014年2期

赵帅杨崇倡吴瑛戟

(①东华大学机械工程学院，上海 201620;②真彩文具股份有限公司，江苏昆山 215343)

转动圆盘是高精度笔头多工位机床的分割回转工作台，是整个机床的关键核心零件，其加工质量直接影响着整机的性能、精度和寿命。精密多孔转盘材料为球墨铸铁，属于多孔盘类结构件，其外形如图1 所示。该工件加工精度要求很高，国内多家企业和研究所曾立项研制，但精度并不能满足使用要求，待进一步提高。为此笔者经过多次试验，提出了一套针对该工件的工艺方案，经测试验证，完全达到了工件技术要求。

图1 精密转盘零件

1 工件结构和加工难点

转动圆盘工件结构如图2 所示，该工件外廓尺寸大，转盘台面上孔的尺寸精度、形位精度的要求均很高，这是工件是否能加工成功最为关键的部分。工件孔径尺寸精度为±5 μm，孔极半径精度为0.015 mm，孔间极角精度为4″，圆度精度为8 μm，特别是孔间位置极角精度，经弧长计算(圆心角极小，弦长约等于弧长)，精度在5 μm 左右，国内普通机床难以达到这一要求。

图2 转盘工件简图

此外，由于工件厚度较薄，整体精度要求很高，若使用传统夹具，装夹时夹紧力过大，易导致工件发生塑性变形，影响工件的形位公差。

2 工件加工工艺的制订

2.1 加工方式的选择

根据转盘结构特点和精度要求，工件关键工艺主要选用在双立柱式坐标镗床上完成。该机床具有精密坐标定位装置，整体刚性很高，主要应用在高精度孔径、孔系工件的加工，也可用于铣削。

在单件、小批量生产中，通常采用坐标法镗孔，即通过机床纵、横导轨移动来调整工件与刀具的相对位置。用这种方法加工转盘工件，加工效率低，且孔系间相对位置不易保证。若采用分度法加工，将工件安装在机床的回转工作台上，由转台旋转来实现工件加工位置变化，这样在加工两孔的过程中，机床纵、横导轨没有产生运动，工件孔系间位置精度完全转化为由回转精度来保证，因此优于坐标法镗孔。经试验和对比，选用分度盘式的数显转台，其分度精度可达2″，完全满足孔系位置精度要求。

在转台操作前，应注意以下两点:(1)对转台回转精度影响最大的是工件轴线与回转工作台轴线的重合度;(2)转台的分度精度取决于分度盘，也受转台主轴和分度盘同轴度影响。因此在加工前，一定要确保对转台检测校正。

2.2 工件加工路线

按照基准先行、先面后孔、先粗后精的原则，转盘工件具体的工艺流程如图3 所示。粗车工件内外圆面，去除工件大部分加工余量;为后续工序作基准，在车削后安排一道粗铣工序，采取一次走刀铣完;在坐标镗床的主轴锥孔上先安装钻夹头，进行钻孔加工，再粗镗各孔及凹槽;在粗加工结束后要安排一道检验工序，检查工件是否有裂纹、气孔等缺陷，采用X 射线检验;自然时效处理，将工件放置室外半年时间，以消除加工过程产生的应力;精车转盘内外圆表面，由于内圆精度要求比外圆高，应先以内圆为基准加工外圆，再以外圆为基准加工内圆;精铣转盘上下端面，铣削余量在1 mm以内;半精镗各孔及凹槽，预留加工余量应控制在0.03 mm 以内;采用深冷处理工艺，以消除由于切削热和切削力而引起的不稳定组织，提高工件的尺寸精度和耐磨性;精镗各孔及凹槽，最后一刀的单边加工余量应控制在0.01 mm以内。

图3 工件工艺流程图

2.3 工件装夹的选择

考虑到夹具的夹紧力约束，工件装夹方案采用液固两相转变性质将工件固定。目前这类介质主要有石蜡基、水基和低熔点合金3 种，石蜡基由于其固紧力小，主要应用在切削用量极小的工件;水基主要应用在有规则平面的工件上，但在低温环境加工出的工件尺寸稳定性差，不适用于精密制造;低熔点合金主要应用于低刚性工件。基于以上介质应用范围，在精加工环节采用蜡固夹具，为增大介质粘结力，石蜡溶液中还添加了相当比例的松香，装夹方法如图4 所示，装夹固定后整个加工过程转盘工件位置不变，提高了孔系和凹槽的同心度。工件以内圆为定位基准，先将已溶化的石蜡注入底面空腔，工件内圆最后注入石蜡溶液，溶液冷却前工件应在夹具内调整至正确位置。凸台平板底面需要磨平，底面孔用于出气，使石蜡溶液充满整个夹具。由于介质会因温度升高而变软，故加工过程中可稍作几分钟停留，以冷却介质。加工完成后，将夹具和工件浸入热水中，即可分离石蜡介质和工件。

图4 工件装夹示意图

2.4 刀具材料、切削用量的选取

针对转动圆盘工件高精度特点，在中加工和精加工中主要选用PCBN 和PCD 材料的刀具，如铣刀、镗刀。这种超硬质材料刀具广泛应用于高精密加工中，其具有高的耐磨性、良好的抗弯强度的特点，加工后工件表面的精度好，残余应力也相对稳定。

转盘切削用量的确定主要考虑加工表面质量、刀具磨损以及加工成本，在转盘切削工艺中，镗孔切削用量是整个切削工艺用量的重点。粗镗时应采用较大的背吃刀量，以去除工件硬皮层，避免刀尖过早磨损，并配以较低的切削速度;精镗和半精镗因考虑表面质量要求，采用较小的背吃刀量和进给量，因此切削速度较大，同时避免产生积削瘤和鳞刺，具体参数见表1。

表1 镗孔切削用量推荐表

图5 转盘Φ25 mm 孔极半径分布

图6 转盘Φ25 mm 孔极角偏差

图7 转盘Φ25 mm 孔直径分布

3 工件加工精度的检测

为了获取可靠检测数据，采用三坐标测量机对转盘进行测量，建立工件的极坐标系，检测各分项点，其检测精度为(0.3 +1 000/L)μm，测量结果完全符合零件的设计使用要求。以转盘台面Φ25 mm 孔的测量结果为例，由图5～8 可知，24 个孔的最小极半径大于279.986 0 mm，极角精度偏差在±4″内，孔径上下偏差为mm，圆度误差小于0.008 mm，其加工结果完全符合零件的加工设计要求。