高精度多工位機床轉動圓盤影響精度因素及對策分析

李建偉　孫奇涵

摘 要：目前，中性筆漸漸取代了鋼筆、圓珠筆，廣泛地運用于日常辦公、學習當中，中性筆的書寫由剛性筆頭來實現，因此中性筆書寫的好壞取決于剛性筆頭的質量。我國每年要生產將近400億支中性筆，但是根據中央電視臺《對話》節目當中對我國制筆行業的概括為缺乏核心技術、產量巨大、價格低、利潤薄。一個小小的筆頭就絆住了中國的制筆行業，我國3000多家制筆企業中沒有一家掌握高端筆頭的制作核心技術，90%的數量筆頭成品依靠進口或者從瑞士、德國等國家進口制造設備進行加工制造，平均下來中國制筆企業只能賺不到一分錢，這種現狀嚴重制約了我國制筆行業的發展。因此，本文對高精度多工位機床關鍵技術進行研究，實現制筆機床核心部件的國產化，對我國制筆工業發展具有十分重要的意義。

關鍵詞：高精度；機床加工；影響因素；措施

一、機床加工工作原理及關鍵部件技術要求

高精度多工位筆頭加工設備核心部件結構如下圖所示，該結構由上動刀頭座、下動刀頭座及轉動圓盤三部分構成，也是俗稱的三明治結構。該機構制造的精度直接影響整體制筆設備的整體性能。轉動圓盤在筆頭加工過程中需要快速頻繁地啟停，并且在轉動過程中需要氣動懸浮從而減小摩擦，轉動圓盤的加工質量起到了至關重要的作用，因此要求該部件的加工精度要求非常高，轉動圓盤機構如圖2所示。

二、影響精度因素分析

（一）尺寸穩定性對加工精度的影響

轉動圓盤在實際工作中，不可能完全保持設計性能和形位公差，從而導致在實際加工過程中尺寸精度的降低。在工作條件下，轉動圓盤隨著負載的變化，造成零件表面出現過度磨損及材料的自發變化從而導致零件的精度降低。

（二）殘余應力對加工精度的影響

轉動圓盤在切削加工時，金屬內部微觀或宏觀組織的不均勾體積變化，內應力的出現勢必破壞零件原有的應力平衡，而金屬內部組織恢復到應力平衡狀態，導致應力平衡狀態極不穩定。產生殘余應力的原因有以下幾種：

1、熱塑性變形，金屬材料切削部分溫度與域溫接近，不過會隨著加工過程結束而降到一致。收縮較多的區域與刀具距離較遠，收縮較小的層面在距離與道具較近。工件內層牽制表層收縮，使工件內層產生壓應力，表層產生張應力。

2、金屬在加工過程中，金屬外層溫度較高，該層金屬發生相變形成奧氏體，冷卻后變成馬氏體，奧氏體與比馬氏體相比體積較小，因此金屬外層會發生膨脹產生應力。

3、在切削加工過程中，金屬加工表層產生彈性變形和塑性變形，金屬內層只產生彈性變形。當加工完成后，金屬材料內層和外層均有彈性回彈，而金屬表層產生塑性變形，致使內外層不能夠完全回彈產生應力。

（三）工裝夾具對加工精度的影響

轉動圓盤在加工過程中對其進行支撐定位是夾具，由于轉動圓盤為薄壁工件，在夾具中的夾緊點局部彈性變形至關重要，局部彈性變形會使工件產生轉動和移動，致使工件相對位置發生改變，出現“欠切”或“過切”現象。裝夾系統的夾緊力、夾緊位置、夾緊剛度及定位精度等均會引起工件的加工變形。

（四）切削力對加工精度的影響

切削力會引起零件回彈變形，并且當切削力超過材料的彈性極限時，工件會產生塑性變形。從力學角度分析工件力變形和工具變形是影響工件切削精度的主要因素。

三、提高轉動圓盤加工精度措施

（一）提高尺寸穩定性

在加工前安排振動時效處理，可有效提高轉動圓盤的尺寸穩定性。振動時效處理是常用的一種消除工程材料內部殘余內應力的方法，通過振動處理使工件內部殘余內應力和附加振動應力二者矢量和達到超過工程材料屈服強度時，使材料發生微量的塑性變形，從而提高工件的尺寸穩定性。

（二）殘余應力的消除

1、除了采用振動實效處理消除工件應力外，還可采用自然時效處理。自然時效是將工件露天放置于室外，依靠大自然的力量，經過幾個月至幾年的自然變化，給工件造成反復的溫度應力。在溫度應力形成的過程中，促使殘余應力發生松弛對構件的尺寸穩定性較好，提高工件的尺寸精度。

2、精加工時對轉盤深冷處理。將工件放入-130℃以下的液態氮中進行處理。通過深冷處理可以有效提高轉盤的力學性能、尺寸穩定性，且操作簡便、不破壞工件結構性能、成本低。

3、采用直接測量法，對比消除殘余應力。由于轉動圓盤具有很高的形狀和尺寸公差等技術要求，是機床當中最關鍵的零件。在加工過程中除了要對毛坯件進行微觀組織研究，殘余應力進行去除應力消除外，還應采用直接測量方法，對工件加工前后尺寸測量對比。

（三）夾具的優化

傳統加工采用壓緊式三爪式卡盤，如下圖所示藍色區域表示受力和應變力較大，尤其會造成轉動圓盤藍色區域附近通孔變形，這種夾持方式明顯達不到轉盤零件加工精度的要求。經過改進后采用采用液固兩相轉變性質將工件固定，這種方式可使工件與裝夾形成一體，切削加工時提高工件的剛性，同時在液體固化后也不會對工件造成局部拉力、產生變形，甚至不會產生變形趨勢。目前該類介質采用石蠟基、低熔點合金、粘接劑三種，石蠟基主要應用在切削用量極小的零件、低熔點合金主要應用于低剛性管形的零件；粘接劑主要應用在比較規則平面的零件。因此轉動轉盤的加工采用粘接劑來制作粘結夾具如圖3所示，工件以轉盤中心為定位基準，將粘接劑注入底面空腔，固化前將工件在夾具內調整至合適位置。粘接劑會隨著溫度的變化而改變。為了減小工件的變形，半精加工前工件必須在130～160℃的油介質中進行穩定處理。

（四）減少刀具的磨損

一是提高金屬切削刀具的強度、剛度和耐磨性；在切削加工過程中切削熱量傳入刀具會，導致刀具產生熱變形，雖然傳入刀具的熱量占到總熱量的3%-5%，但是由于刀具的體積和熱容量小，熱量積累引起的刀具熱變形是不容忽視的。因此在切削過程必須采用合理的冷卻措施是十分必要的。

四、結論

本文根據高精度多工位機床轉動圓盤的機械加工精度要求，對轉動圓盤機械加工中精度影響因素進行分析，通過分析找出積極應對方案。在毛坯加工前對材料進行振動時效、自然時效、深冷處理等工藝，大大提高了零件的尺寸穩定性；采取合理措施，提高加工刀具的耐磨性；優化了夾具方案，減少工件的變形量的大小，最終優化選用了夾具粘結法進行工裝。大大提高了轉動圓盤的加工精度，為實現我國制筆機床核心部件提供參考依據。

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