薄壁导条样板中弧旋曲线轮廓加工工艺研究*

马远佳，罗 彪，罗 佩

(1.广东石油化工学院 电工电子实验中心，广东 茂名 525000;2.江南工业集团有限公司，湖南 湘潭 411207)

0 引言

某兵器工业集团生产的薄壁导条量具样板，以及生产线都是国外专家提供，设计图纸都是集团下发到各分厂试制。由于传统的普通机床加工非圆曲线、弧旋曲线的加工方法，加工过程的计算和校正繁琐，效率低下，且受机床，分度头和装夹精度等影响，较难保证所要求的加工精度。该产品弧旋导条安装检测量具是一个几何形状复杂，尺寸关联要求较高的一种高精度检测量具，制作难度较大，多次请兄弟单位协作攻关都未合格［1-4］。本人接受该项任务后，仔细进行了研究分析，认为弧旋导程面的加工是该量具的技术关键。该产品的检验量具具体要求和产品零件图1 如下:

①飞边倒棱去毛刺允许R1。

②导程2995 ±2.5，螺旋工作面为右旋。

③淬火HRC58 -63°。

④非工作面法兰。

⑤旋线导程面光洁度达到▽10，基面为▽0.8。

图1 导条安装样板零件图

1 弧旋曲线的轮廓加工处理方法

1.1 材料改进

根据前辈提供的资料和以上具体要求进行分析，加工材料为T10A 碳素工具钢，淬火HRC58 -63°，又是薄壁件，极易变形，不易机械加工，从而改碳素工具钢为高级氮化钢38CrMoAl。该材料耐磨性及疲劳强度好，并具有良好的耐热性及腐蚀性，淬透性不高，用于制作高耐磨性、高疲劳强度和相当大的强度、处理后尺寸精度高的氮化零件。从而解决加工困难，又不影响使用效果，同时进行热处理工艺完善，防止变形。

1.2 铣床挂轮数配比

在普通万能铣床加工弧形导程2995 ±2.5 螺旋工作面为右旋的复杂零件中，必须解决阿基米德螺旋线的配比，按照齿轮挂轮速比计算原理挂轮的计算公式为［5］:式中:i为传动比;a1、b1、c1、d1为挂轮;Ts为铣床丝杆导程，取6mm;T为被铣削螺旋槽导程;d为工件外径;β 为螺旋角。

这样计算出来的导程比较特殊，根据通常分度头的齿轮配比是25、30、35、40、50、60、70、80、90、100，要加工这种特殊的导程，需要特殊配置Z=20 两个，一个过轮Z=125 才能解决这组挂轮。

1.3 铣削钳的安装与加工

把产品零件装在x62w 铣床采用FW125 分度头，用自改二类心轴，校正好上母线、侧母线、直线度，使心轴和外筒保证径向跳动在0.005，采用两个φ8 孔，和内M6 ×12 的螺钉，用内角扳手板紧并用特殊垫川，并用M20 螺母和端面夹紧，完成装夹工序。随后采用粗、精铣的层次，把外形多余的毛坯余量铣掉，并再把整圆分成五等分加工，一个个剖开，消除内应力，减少变形。如采用万能铣床加工，就要配比好挂轮系数。采用数控铣床加工，把零件轮廓曲线等分为若干段，段数越多轮廓曲线越精细。

1.4 排除螺旋面铣削的干涉现象

本项目的难点在于，阿基米等螺旋线与加工刀具轴线不共线，造成加工形成凹面或者凸面，不管用什么高精度机床来加工，都难以合格。从该检测量具的螺旋槽的法向截面看，似采用直径D等于槽B的合金立铣刀就可将螺旋槽正确的加工出来，其实不然。根据螺旋角β 的计算公式tgβ =πD/L可以推出:当导程L已确定时，在不同直径的圆柱面上，螺旋角是不相等的，直径越大，螺旋角越大［6］。将工件的外圆柱表面和内圆柱表面接近产品槽底的圆柱表面展开，将他们沿刀具轴线叠合，可以发现，外圆柱表面上的螺旋线和立铣刀外圆在法向截面相切，而内圆柱上的螺旋线的螺旋角小雨外圆螺旋线的螺旋角，不可能和铣刀外圆截面相切，铣刀必然会将外圆柱面一下的螺旋面多切去一些，使螺旋槽的法向截形发生内凹变形。这种干涉现象的产生是由螺旋面本身不同直径上螺旋角差值引起的，所以要偏移中心，尽量减少干涉。

采用数控铣床的话，就要确定变量，按等差误差的条件，确定节点坐标位置，以便最大程度的减少程序段的数量，简化计算机编程。采用弦线逼近法容易计算，程序简便，但其缺点是插补误差较大，如果处理得当，还是可以满足加工需要，关键在于插补段长度及插补误差控制［7］。各种曲线上各点的曲率不同，如果要是各插补段长度均相等，则各段插补的误差大小不同。反之，如果要各段插补误差相同，则各插补长度不等。

各自装好合金立铣刀加工，或者在万能铣床采用高速磨削，采用:

式中R为铣刀半径，aD为工件外径的螺旋升角，ad为工件内径的螺旋升角［8-9］。采用上述公式计算，可以克服编程，移距，调整铣刀或者电镀钻石轮的工作对刀位置，同时要注意刀具的实际外圆尺寸和磨损的公差尺寸，基本消除“凹心”现象，减小加工误差。

1.5 铣削技巧

在铣削过程中，进刀和退刀也是关键，严格执行铣削原理，还必须注意普通万能铣床的分度头及挂轮系数的间隙，否则就不能使铣削位置达到预定的进刀和退刀位置，还要防止震动和打刀。因此粗铣时尽量手动进给，铣刀不作螺旋式运动，采用小阶梯式进刀方法，即横向走刀摇分度头手柄，纵向进给摇工作台手柄，随后再用挂轮配比系数精铣。铣削完毕后，特别注意要螺旋面工作部分不要倒棱，直接送长度计量或者三坐标检测，同时提供自改二类轴心如图2 所示，分段取点采用三角函数，合格为准。根据检测结果，如果导程差，可以采用自改二类心轴工具装夹修削研磨。

图2 导体安装样板检测加工工具图

将导条安装样板安装在件号1 检验工具上，将用万能千分表将同外圆与端面的基准校好。用2-M6 位置将产品拧紧将件号2 号安装，防止松动，靠紧，保证产品的稳定性，便于测量和铣削，修复不合格产品。这套工具具有结构简单，组装快捷，操作方便，用途广泛，不受产品宽窄误差的影响。靠板、垫板都具有高度互换性，在批量产品的加工中显示了它的优越性。

按照常规铣削后产品，送检部门进行单项检查，而这种曲线受测量精度误差，表读数误差等多种因素影响，通过反复琢磨，设计组装一套集装配数控加工中心及测量一体的组合检验工具［10］，极大的提高了检测效率，保证了检测质量，解决了复杂几何质量参数的检测技术难题，提高了某公司检测领域中的检测评定能力。

2 结束语

以上导条安装样板检验量具加工方法已送兵器集团总装部，采用多种方法反复计算对比，取得了理想的编程参数，基本消除了阿基米德螺旋线与加工刀具轴线不共线的问题，采用改变刀具的几何角度，调整转速，切削液等技术，改进后加工出来的螺旋角面其精度经过计量，经试验一举获得成功，加工尺寸和表面光洁度完全达到图纸设计要求，提高了产品一次性交验合格率，保证了该产品的顺利生产，为国防、航天事业作出了贡献。

［1］薛明，赵薇. 基于数控车削非圆二次曲线零件加工的研究［J］. 组合机床与自动化加工技术，2013(4):129-131.

［2］金艳玲，杨东武，姚东成. 数控加工中非圆曲线轮廓的三圆弧逼近方法［J］. 组合机床与自动化加工技术，2013(9):111 -114.

［3］杨宗正. 自制软件辅助数控铣削平面内未给方程光滑曲线轮廓［J］. 机械工人(冷加工)，2000(7):33.

［4］杨根莲. 非圆曲线轮廓工件的数控车削加工［J］. 机械工程师，2012(4):83 -84.

［5］李茂胜. 数控机床伺服驱动系统齿轮配比设计［J］. 机械设计与制造，2012(3):169 -170.

［6］王焯林. 圆柱螺旋周刃刀具的阿基米德后角加工［J］. 工具技术，2012(7):57 -59.

［7］朱虹，王立军，杨海. 基于圆弧拟合的非圆二次曲线加工技术研究［J］. 机械设计与制造，2012(12):227 -229.

［8］丁伟，常江. 螺旋面铣削时的共轭界限与干涉条件［J］.鞍山钢铁学院学报，1996(2):13 -15.

［9］周维泉. 利用机床的数控装置设计阿基米德螺线凸轮的轮廓［J］. 机械设计与制造，1991(3):22 -26.

［10］王西建，冀勉. 宏程序在非圆曲线轮廓车削加工中的应用［J］. 组合机床与自动化加工技术，2013(7):110 -111，114.