自动补偿镗刀杆国产化及其改进

HEATS

在孔加工中，作为系统执行部分的补偿镗刀杆，是系统的主要元件，也是消耗较多的易损件。我厂汽车转向节加工自动线精镗主销孔工序中，一直使用可乐满-马波斯自动检测自动补偿系统(Coromant Marposs TWC System)。过去为购买易损件——山特维克补偿镗刀杆，每年要花不少外汇。为此，我们自行研制了这种镗刀杆，并对镗刀杆的结构参数进行了改进，满足了新的工作性能要求。到目前为止，这种改进的补偿镗刀杆，在我厂已经稳定地生产了多批。 ' O9 U& u1 x* q4 T! [ ~% D% ?, ~( z' P0 N" q+ [; E; N0 ~' Q$ H3 O! b3 m$ `4 {7 k- i4 D& w9 k7 z, V. a. d' D2 U- M$ c: h* j/ @( h

1.步进电动机 2. 轴向调节补偿器 3.连杆 4.拉杆 5.镗孔零件 6.测量头 7.测量仪表 8.控制仪表 9.镗刀杆 图1 自动检测自动补偿单位工作原理 6 j' z* _' ^1 D: X, V

1. 镗刀杆 2.拉杆 3.密封圈 4.螺钉 5.镗刀 6.刀片 7.支撑块 8.碟形弹簧 9.支撑座 10.工件 图2 补偿镗刀杆简图

1 工作原理

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该系统的工作原理如图1所示。镗刀杆9为加工完后的退出状态。当测量头6将测量的孔径误差值传递给测量仪表2 时，指针直观地显示镗孔误差所处的公差带位置，即指明是在系统的工作范围内或已超出工作范围。同时将测量值传递到控制仪表8，按预先设定的程序进行处理(与标准值进行比较)，当镗孔误差超出设定的控制界限的下限时，则输出脉冲信号到步进电动机1，步进电动机的脉冲回转驱动轴向调节补偿器2，通过轴向移动连杆3移动镗刀杆中心孔内的拉杆4，再通过拉杆的斜面，使刀尖径向伸出，将镗孔尺寸恢复到程序设定控制界限的上限，完成一个补偿循环。这样循环继续下去，直到刀尖磨损到程序设定的最大的磨损量SDr而自动发出换刀信号为止，这期间保证所有的镗孔尺寸都控制在公差范围内。 3 }2 w$ J/ g, y: J. z

2 山特维克补偿镗刀杆结构

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如图2 所示，带内冷却补偿镗刀杆与一般镗刀杆的主要区别是具有两个内冷却深孔。另外该镗刀杆同时加工转向节上同轴的两个主销孔，在同类镗刀杆中属细长镗杆，所以在镗刀杆前端设置导向支承座，让镗刀杆伸入支承座以后才开始镗孔，以保证镗刀杆的工作刚性。为此，镗刀杆前端导向部分开有三段共6个用以镶装导向支承块的槽，每段两个槽径向对称，支承块有径向浮动量，由小碟形弹簧支承，还有两个弹性刀夹槽。其余结构与一般镗刀杆相同。

3 镗刀杆的关键制造工艺

1. 容纳拉杆的f12H7×392mm深孔的加工 : a8 ^" O$ ]' `; n
   该孔与补偿拉杆配合，其性质有如滑阀孔与阀芯的配合，理论上最小间隙为零，孔粗糙度Ra0.8µm。我们在深孔钻床上用枪钻头加工。枪钻的优点是钻进直线性好，加工孔径尺寸准确，粗糙度值较小。但当深孔钻床性能下降时，钻削孔径精度难以达到要求。此时，也可适当放宽孔径公差，配用研磨棒研磨，以提高孔的圆柱度和减小表面粗糙度值。然后配磨拉杆，使拉杆与孔的配合间隙近乎于零，以能移动自如为准。
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   图3 精密钻模

2. 内冷却用的2-f4.2×332mm深孔的加工
   这两个不在轴心线而且长径比较大的深孔比上述深孔更难加工，因为零件不能旋转，很容易钻偏，特别是两小孔的孔壁离镗刀杆外圆仅4.4mm，钻孔时很容易穿破镗刀杆外圆而报废。我们使用普通麻花钻头，由钻模(图3)导向在摇臂钻床上加工，用5根长度递增钻头分5段钻成。镗刀杆直立装在组合夹具上，用V形定位，保证其与摇臂钻主轴回转轴线同轴。钻模制造时为保证导向孔与钻模外圆轴线平行，导向孔在坐标镗床上先用中心钻和较小钻头按坐标从两端预钻小孔，保证两端小孔的同轴度，然后用f4.2钻头从一端钻通接上。钻模经氮化处理以保证导向孔的耐磨性。
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3. 浮动支承块的装配
   根据镗刀杆浮动导向支承块的工作性能，支承块圆弧的最终加工放在镗刀杆预装配时进行。这时装支承块，要垫入一块厚度等于碟形弹簧组工作状态时的高度的垫块，为碟形弹簧留一高度。6个支承块预装于槽内和镗刀杆一起磨出外圆，然后卸下待镗刀杆，精磨后连碟形弹簧一起再装入支承块槽内。注意控制碟形弹簧的高度，以保证支承块进入导向孔时对碟形弹簧的压缩量及其预压量，以产生足够的支承力，又使支承块进入导向孔时，不致将碟形弹簧压死。标准碟形弹簧的结构参数和力量一般满足不了该镗刀杆的要求，我们采用的是自制碟形弹簧。
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4. 镗刀杆的选材及热处理
   和所有精密镗刀杆一样，该镗刀杆为获得足够的强度和耐磨性，选用38CrMoAl经辉光离子氮化处理。机械加工前作调质处理为氮化处理做好组织准备，又有较好的机械加工性能。氮化前做两次时效处理以消除机械加工应力，减小氮化时的变形，保证镗刀杆精磨以后有均匀和较厚的氮化层，使镗刀杆有较好的精度持久性和较长的使用寿命。

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图4 转向节精镗工序草图

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4 镗刀杆的结构改进

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1. 改进的目的 , l1 M' v: ~+ z' `$ D9 m% y, t
   由于被加工零件汽车转向节主销孔两孔长度不一致(图4)，短孔长54mm，长孔长80mm，两孔长度比近似达到1:1.5，使镗刀杆上两个刀尖磨损不同步，即每次镗完孔后，刀尖磨损量不一样，镗完若干孔以后，刀尖总的磨损量也不一样。原镗刀杆对两个刀尖的补偿是同步的而且补偿量是完全一致的，使用自动补偿就会造成部分零件的短孔超上差，或者长孔超下差，迫使操作者不得不采用人工补偿，并且每次更换刀片调刀尖时，有意使镗长孔的刀尖比镗短孔的刀尖的径向多伸出一些，即镗短孔刀尖按直径+0.030mm调刀，镗长孔刀尖按直径+0.040mm调刀。而且操作者在自动线加工一定数量零件后要抽查短孔或长孔尺寸，当发现孔径接近下差时，及时人工向控制仪表输入补偿量。这样虽可以保证镗孔尺寸合格，但孔径散差大，造成压主销孔衬套时有的套与孔配合太松，有的配合太紧而收缩量大，不得不在自动线后增加一道推孔工序，即对孔径太小的孔用推刀再推一次然后压衬套，非常麻烦。下面将用刀尖工作循环动态曲线对出现这种缺陷进行具体分析，说明改进措施及效果。
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2. 分析现有缺陷
   根据TWC系统的应用手册推荐，对标准镗杆的调整是：设定刀尖的半径上的工作范围为 4 S, Y$ i7 ]: f% J, A5 G- y- zW≈(r₁-r₂)/2式中r₁、r₂分别为孔的最大半径与最小半径。 0 N u4 e4 e5 v' H7 }/ {
   根据孔的尺寸公差，计算得刀尖在半径上的工作范围为W=8µm，每次补偿数，取Dr=6µm。
   

   图5 以长孔测量值输入所得刀尖磨损及补偿动态曲线

   如果以长孔的测量值作为补偿的输入信息，由于孔长不一致，得到镗孔时两孔半径上刀尖磨损及补偿动态曲线(图5)，其中实线为长孔刀尖动态曲线，虚线为短孔刀尖动态曲线。可见由于短孔刀尖磨损慢，使短孔将有部分超上差可能。同理，如果以短孔的测量值作为补偿的输入信息，则又因长孔刀尖磨损快而有部分长孔超下差可能。
   如果以长孔和短孔的测量值之和的一半作为补偿的输入信息，将可能同时有部分长孔超下差，部分短孔超上差。正因为这样，当加工到一定零件数以后，操作者不得不赶紧抽查孔径尺寸，避免超差。这样刀尖远远发挥不到系统正常使用时的总补偿数SDr，即缩短了刀头的使用寿命。
3. 改进措施 : {6 N; g: M1 S( B
   为此，我们对镗刀杆的斜面调整角a进行改进。众所周知，当切削用量不变时，刀尖的磨损程度与切削路程有关，切削路程大磨损也大，刀尖正常磨损阶段中磨损量与切削路程近似成正比。在同样的工作班时间里，长孔刀尖比短孔刀尖磨损大，为使每次补偿后两个刀尖都大体恢复到设定的工作范围的上限，要求长孔刀尖每次补偿量比短孔刀尖大，即长孔的补偿量与短孔的补偿量之比相当于长孔镗孔长度L_H与短孔镗孔长度L_S之比。
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   a—刀杆调整角 rj—一个脉冲补偿量 A、B—杠杆臂长 p—补偿螺杆节距 图6 补偿机构

   如图6所示，根据TWC补偿机构工作原理，补偿器每个脉冲产生的刀尖半径补偿量为
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   rj=	p×1000×A 4 H" } k, k' m' w/ ^' x$ q/ L	tana 3 c. @% R, g2 l) {% D$ F) d6 K
   	400×B

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   式中 4 _3 x( u! E) S( H

   rj——1个脉冲的刀尖补偿量，µm a——刀杆调整角，(°) p——补偿器螺杆节距，mm A、B——杠杆臂长 400——步进电动机转1转所需脉冲量

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   刀夹是标准件，A/B为定值，p为常数，要想改变刀尖一个脉冲的补偿量只有改变调整角a。所以，要求长孔刀尖调整角a_H与短孔刀尖调整角a_S的比例关系为 ' b& z2 i" a9 B% ? b2 Q$ ~4 ftana_H/tana_S=L_H/L_S - h9 S9 T, s8 z/ Q7 N0 {* ^, t
   设定a_S=3° 1 q0 A# G3 E9 i8 O
   则a_H=arctan(tan 3°80/54)≈4.5°
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   图7 改造后以长孔测量值输入所得刀尖磨损及补偿动态曲线

   具体程序设定中，以长孔测量值作为补偿信息，为适当照顾两刀尖磨损不一致，取刀尖工作范围W=10µm，长孔每一次补偿总数Dr(长)=8µ，根据两刀尖调整角a的比例关系，可推得短孔每次补偿数为Dr=5µ，改进后的刀尖磨损及补偿动态曲线如图7。可见，修改了刀尖调整角a以后，两个刀尖的磨损和补偿量都能保持稳定状态，使镗孔尺寸实现了受控状态。
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4. 改进效果
   • 调刀时两刀尖可以调成一致，操作方便； 9 E3 v/ d+ Y" m" n! k; M3 Q
   • 两孔刀尖磨损虽不一致，但每次补偿后两刀尖又回到调刀时的同一起点，使镗孔尺寸分散度变小；不再出现超差零件，不用再增加推孔工序； 3 K1 F: ]/ E( z2 {' s
   • 真正实现TWC系统的自动补偿功能，使总补偿量SDr得以提高，一次调刀能加工较多零件，提高了自动线的生产率；
   • 短孔刀尖使用寿命还是略有浪费，这是零件转向节两孔长度不等留下的唯一不足。