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。