薄壁陀螺框架零件位置精度的测量.docx

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1、针对薄壁陀螺框架零件设计基准圆柱短、而被测圆柱相对基准跨距大等所造成的零件位置精度测量离散程度偏大、重复性差，易产生误判的问题，分析零件结构特点及装配精度要求，在测量时，通过优化测量定位基准、设计测量辅具及减小夹紧力的影响等措施，提高零件重复测量的精度。某精确制导产品陀螺框架零件外形结构如图1所示，截面尺寸约120mm120mm,两端通过(p72mmx(p57mm、53mml7mm的圆环面联接，框架高度25mm,各处最大壁厚不足5mm。零件轴承安装部位尺寸标准公差等级IT6,要求l7mm孔相对57mm基准孔的同轴度W0.01mm,9mm外圆、6mm孔相对lmm基准孔的同轴度柳.Olmm,圆环端

2、面相对基准轴线的垂直度0.012mmO零件整体结构刚性差，受定位基准的面型精度、压紧方式及测量方法等因素的影响，测量结果离散程度大，零件尺寸精度、位置精度不易保证，属典型的工艺瓶颈问题。a)立体图b)剖视图图1薄壁陀螺框架结构示意1 .工艺方案分析根据产品设计状态，零件毛坯采用l65mm、长80mm的2A12-T4铝合金棒料，加工工艺划分成粗加工、半精加工和精加工3个阶段。粗加工时，先用普通金属切削设备加工出线切割粗基准，使用线切割和电脉冲设备加工出零件整体轮廓后，再安排热处理时效，均化零件内部应力；半精加工时，先精铳、铲研定位基准面，保证定位基准面的平面度V0.005mm,夹紧面与定位基准面

3、的平行度VSOlmm,再加工四周孔系及端面，进行二次热处理时效，均化零件切削时产生的应力；精加工前，检查定位基准面，使用力矩扳手控制压紧力，防止零件变形，再精加工两侧孔系及端面。从零件整体结构功能分析，零件两侧孔系及端面的位置精度直接影响其功能的实现，工艺设计时必须采用基准统一原则。受零件结构限制，基准只能选择零件框架两侧长度110mm、宽度4.5mm的棱边底面作为定位基准面，高度25mm的顶面上夹紧。在精密卧式加工中心进行陀螺框架零件四周孔系及端面最终加工，设备主轴精度和B轴回转精度能满足该零件的加工要求。但由于零件定位面分布在两侧且底面棱边狭长，整体结构刚性差，要保证其平面度0.005mm

4、、平行度0.0Imm的工艺要求极难，其接触精度、压紧引起的变形对零件尺寸精度、位置精度影响很大。2 .测量问题分析测量时受量具或量仪精度、测量环境及测量人员等因素影响，基准形状误差对零件测量结果影响很大。如图2所示，测量时先将基准孔dl调校到理论正确位置，再判断被测孔d2两端A、B相对基准孔的差异，然后通过计算确定位置精度。由于薄壁陀螺框架零件设计基准短，而被测圆柱相对基准跨距大，若6mm长的基准孔两个测量截面校正误差为0.002mm、被测孔跨距为120mm,则将引入基准误差0002xl206=0.040(mm)。在图1所示零件实际加工过程中，若以57mm孔为基准孔，测量l7mm孔相对基准孔的

5、同轴度为0.01mm,受上述因素的影响，测量结果离散度大、重复性差，易产生零件误判问题。图2基准误差对测量精度的影响分析3 .测量方法分析实际被测轴线为被测要素各正截面轮廓的中心点连线，其轮廓中心点为该轮廓由最小区域圆法、最小二乘圆法、最小外接圆法和最大内接圆法确定的理想圆中心。在三坐标测量机测量零件同轴度误差时，先要按上述方法确定实际基准轴线和实际被测轴线，再以拟合基准轴线为轴线包容实际被测轴线，得到具有最小直径的圆柱面内的区域，则该圆柱面内的区域即为同轴度误差。也可以在满足零件功能要求的前提下，采用下述近似方法体现：以各横向截面轮廓中心点建立实际公共基准轴线，再通过最小包容圆柱轴线或最小二

6、乘中线确定基准轴线。以基准要素两端横向截面轮廓中心点的连线作为基准轴线。由于基准轴线和被测轴线建立方法不同，测量误差也就不同，测量结果的精确性差异很大，因此针对不同结构零件，有必要分析确定最佳测量方法。4 .测量方法的确定先在图1所示薄壁陀螺框架签件上，分别用三坐标测量机从左到右以等间隔采集57mm基准孔、l7mm被测孔的3个正截面，然后用前述不同方法进行数据处理，获得基准孔轮廓中心点I、II、HI和被测孔轮廓中心点IV、V、VI,拟合得到被测要素的同轴度误差见表Io表1同轴度误差测网结果渊最极面轮廓中心点蜃准轴政俄涮抽线17mm械濯孔657mm箓准儿及小二唳法除小二乘H法Im点虬合IV-VI

7、点拟台0.086最小区域部法I-m点Ia合0.11放大内接的法IB点Ia合0.13被小二乘!法D.V两点连线IV-Vl点祗合0.0051-VIj1Q00015由表1可知，基准孔和被测孔正截面轮廓中心采用最小二乘圆法获得后，以IVI这6个点共同拟合的公共轴线作为测量基准，再用最小包容区域法评定同轴度误差，测量的同轴度结果最小，满足零件位置精度的要求，应是薄壁陀螺框架零件的最佳测量方法。5 结语对50件薄壁陀螺框架零件的同轴度进行测量方法改进前后的对比测量，改进前测量的同轴度最大为0.016mm、最小为0.005mm,平均测量结果为0.0085mm,其中还有12件不满足零件位置精度要求；采用改进后

8、的最佳测量方法，测得同轴度最大为0.009mm、最小为0.002mm,平均测量结果为0.0043mm,其中测量结果V0.005mm的达到33件，零件位置精度都满足要求，且反复测量结果稳定，波动很小。说明改进后的测量方法能够实现薄壁陀螺框架零件位置精度的准确测量。附高精度陀螺支架的加工陀螺支架零件的加工是制造业的一个技术难点。陀螺支架属于高精度零件，零件孔的几何公差要求严格。陀螺支架分为几种类型，其中的薄壁悬空型零件结构如图1所示。该零件加工中产生振动非常严重，切削过程让刀严重，并且让刀方向难确定，致使加工精度难以保证。陀螺支架是整个产品的关键部件之一，其加工质量直接影响产品的装配和使用性能。图

9、1薄壁悬空型陀螺支架图2泡沫软支撑法加工1 .陀螺支架的加工难点公司有几种产品使用陀螺支架类零件。其技术要求为：加工孔同轴度0.0Imm,加工端面与孔的垂直度0.01mm,两孔相交线过加工定位基准孔不相交度V0.02mmo加工面加工孔的表面粗糙度值Ra=O.8m02 .加工中存在的问题实际加工后零件孔的同轴度为0.01-0.03mm,加工过程中有像孔键不圆的现象（主要是铳孔时出现啃刀现象和振动过大造成的），铳面垂直度为0.03mm,表面粗糙度值Ra=1.6m或更大，无法满足设计及图样要求。经分析，造成表面粗糙度、垂直度和同轴度超差等的原因如下。（1）加工应力变形影响加工精度的主要误差源包括机床

10、的几何精度，加工工艺系统的受力变形、热变形与切削力变形，刀具的磨损以及计测误差等。该陀螺支架零件整个切削加工材料去除率达到85%以上，由此可知，在零件的加工过程中会产生相当大的加工应力。加工过程经过两次热处理工艺，半精加工的几个尺寸采用线切割减小零件变形。但经表面处理后的精加工中，由于零件壁厚的降低，零件本身的刚性以及装夹的工艺刚性降低，加工变形增大，非常容易发生切削振颤，严重影响零件加工质量。因此，消除加工变形是保证陀螺支架各项技术要求的首要条件。（2）工艺路线安排在考虑工艺路线时，需要合理安排粗加工、半精加工、精加工以及时效等去应力工序，去应力是减小零件变形的重要因素之一。人工时效简单快捷

11、，但会有应力残留，且根据多年的加工经验，笔者认为，人工时效对铝合金材料应力释放作用较小；自然时效加长了加工周期，但释放相当彻底，需要综合考虑。精加工工序的余量安排是影响零件加工的重要因素之一，余量过多，会带来新的应力；余量过少，会无法修正圆的现状，无法保证圆柱度和垂直度等几何公差，需要经过试加工摸索。（3）装夹方式在零件加工工艺路线中，最后工序的加工安排在表面处理后（增加自然失效时间的方案之一）。精车定位基准孔和精加工陀螺支架孔是保证零件重要特性和装配要求的关键工序，由于支架安装孔的几何公差在精镶孔工序保证，因此支架零件的装夹方式、夹紧力对于变形的影响非常大。3 .解决方案1）在加工过程逐步消

12、除应力。由于陀螺支撑架去除材料达到85%以上，所以应在粗加工后自然时效，半精加工中逐步去除内应力，在半精加工后自然时效30天以上（半精加工后可以根据情况进行表面处理、表面精饰），根据产品需要进行精加工。通过工序间的自然时效去除加工应力，在精加工前将加工应力完全释放出来。针对最后像孔精加工精度情况，首先要注重加工设备的选择，根据加工内容采用卧式锋铳加工中心。精加工位置度要求002mm,X轴、Y轴的重复定位要求保证在0.005mm以内，锋孔与铳削而要求垂直度0.01mm,要求设备的主轴轴向圆跳动在0.003mmo加工余量根据加工试验合理确定到具体值，键孔直径0.4mm。键刀采用R=OJmm鸨钻类硬

13、质合金刀片。锋孔时采用2把链刀，粗像刀键到余量0.15mm,精锋孔键到设计尺寸。切削参数为：转速200rmin,进给速度35mmmin0切削液关。端面铳削余量0.5mm,分两层进行切削，第一层切削深度0.42mm,留0.08mm进行精切削一层（采用5mm合金铳刀，转速450rmin,进给速度80mmmin）,切削用量是经过加工验证的。2）针对锋孔振颤情况，加工位置的支撑筋薄弱，相应的刚度非常低，加工工艺性差。在制定加工工艺路线时，要考虑如何解决加工变形及切削振颤问题，如何增加零件的刚度，减少切削时的振颤，提高表面粗糙度等级，保证几何公差中的垂直度要求，满足装配要求。在最后的镇孔精加工中，装夹夹

14、具应保证不产生定位误差、变形及安装误差，夹具定位孔端面要与实际定位孔底面高度重合，保证位置度要求，因此应考虑如何装夹且增加辅助支撑。经过多种辅助支撑方式的尝试，摸索出泡沫软支撑加工方法，如图2所示。泡沫倾斜角度约3。，使用时从一面插入，感受松紧度并摇晃，使其接触相对紧密。目前正在定制专用泡沫支撑件。经过70件的加工验证，证明不仅可以减少锤孔的振颤，提高铳面的表面质量，而且不影响加工位置精度。4 .结语文中所述陀螺支架零件的精加工方法，其关键在于消除加工过程中的振动对零件加工精度的影响。大胆采用辅助软支撑解决加工振颤难题，为同类框架类零件的加工提供了解决办法，对今后类似支撑类零件的生产加工具有一定的借鉴作用。点评本例中陀螺支架零件加工的创新点在于：在加工过程中分步时效，通过工序间的自然时效逐步去除应力，在最终精加工之前将零件内部的残余应力完全释放出来。优化装夹方式，大胆采用泡沫软支撑方法消除切削振颤对零件加工精度的影响。以上解决方案通俗易懂、简单实用，为同类零件的加工提供了新的工艺途径。