大型環(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)外徑快速測(cè)量技術(shù)研究

李臣達(dá)，吳春德，馬殿響，于 淼，張振明，張長(zhǎng)斌

(1.山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046012；2.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，超大框環(huán)結(jié)構(gòu)件在航空航天領(lǐng)域、機(jī)械制造領(lǐng)域得到大范圍的應(yīng)用。對(duì)于一般小直徑框環(huán)結(jié)構(gòu)件，利用車床、激光跟蹤儀和千分尺等即可實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量其內(nèi)外徑。而對(duì)于大型框環(huán)結(jié)構(gòu)件，受其直徑大、精度高等限制，對(duì)檢測(cè)技術(shù)及加工設(shè)備要求相對(duì)較高，精確檢測(cè)技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)的改進(jìn)與優(yōu)化[1]。本文基于CQ52100數(shù)控立車，針對(duì)某型號(hào)產(chǎn)品的框環(huán)結(jié)構(gòu)機(jī)械加工工藝及快速檢測(cè)方法展開研究，通過(guò)分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及數(shù)控立車設(shè)備的加工特點(diǎn)，從數(shù)控立車改制原理、走刀方向、加工余量與圓弧內(nèi)徑的關(guān)系及測(cè)量工藝流程等方面展開論述，通過(guò)一套精確測(cè)量大型框環(huán)內(nèi)徑的方法，實(shí)現(xiàn)某13 m框環(huán)結(jié)構(gòu)的快速測(cè)量，并將其測(cè)量精度控制在0.1 mm以內(nèi)。

1 快速、精確測(cè)量的必要性

1.1 大型框環(huán)結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)

大型框環(huán)結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)如下。

1)體積大，質(zhì)量大，加工周期長(zhǎng)，合格率要求高。測(cè)量一般在車床上進(jìn)行，測(cè)量環(huán)境相對(duì)較差。

2)原材料成本較高，多為I級(jí)鍛件。為保證工件后期配合精度，對(duì)內(nèi)外徑的公差要求較嚴(yán)格。

3)從傳熱學(xué)的角度考慮，它屬于非等溫體，很難用常用的溫度修正方法對(duì)其因溫度引起的測(cè)量誤差進(jìn)行修正。

1.2 大型框環(huán)結(jié)構(gòu)件的測(cè)量方法

國(guó)內(nèi)外對(duì)于中小尺寸工件的測(cè)量技術(shù)日趨完善，在新工藝、新方法、新技術(shù)和新儀器等方面的研究已滿足現(xiàn)代生產(chǎn)需求；但針對(duì)航空航天領(lǐng)域的大型框環(huán)結(jié)構(gòu)件而言，依然停留在傳統(tǒng)的機(jī)械方法、光學(xué)儀器上，如千分尺、鋼帶尺和激光跟蹤儀等。

目前的測(cè)量方法基本分為機(jī)械方法、光學(xué)方法和其他方法[2]。機(jī)械方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，時(shí)間、人力等成本相對(duì)較低。機(jī)械方法包括大型外徑千分尺、大型內(nèi)徑千分尺、卡鉗式測(cè)量方法和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量法等。現(xiàn)針對(duì)大型框環(huán)結(jié)構(gòu)件內(nèi)徑的機(jī)械測(cè)量方法多為大型內(nèi)徑千分尺，其測(cè)量精度較低。光學(xué)測(cè)量方法按照瞄準(zhǔn)工件的方式分為影像法瞄準(zhǔn)、干涉法瞄準(zhǔn)和接觸式瞄準(zhǔn)等，還可以有經(jīng)緯儀坐標(biāo)法、三角法和光學(xué)法等。其他方法有氣動(dòng)法、超聲波法等，該方法也有一定的局限性。

1.3 機(jī)械加工變形原因分析

1.3.1 切削熱變形

工件在切削加工過(guò)程中，由于刀具與工件的摩擦，產(chǎn)生大量的摩擦熱。由于大型框環(huán)結(jié)構(gòu)件直徑較大、較薄等自身結(jié)構(gòu)原因，容易吸收一定的熱量，產(chǎn)生一定的熱變形，造成在加工過(guò)程中很難掌握尺寸進(jìn)行精確加工，使加工質(zhì)量達(dá)不到要求[3]。

1.3.2 殘余應(yīng)力變形

熱脹冷縮是所有物體冷熱不同條件下變化的物理規(guī)律，工件在切削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，冷卻后會(huì)產(chǎn)生大量的內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致工件變形[4]，對(duì)機(jī)械加工精度有一定程度的影響。

1.3.3 機(jī)械加工措施

大型框環(huán)結(jié)構(gòu)件直徑為13 m，無(wú)法實(shí)現(xiàn)退火處理。機(jī)械加工過(guò)程中，主要通過(guò)過(guò)程控制熱變形及應(yīng)力釋放。在粗加工過(guò)程中，采用壓板將工件緊固于卡盤，粗加工一定余量后松壓板，使工件進(jìn)行自然變形，并進(jìn)行相應(yīng)的自然時(shí)效處理。在精加工過(guò)程中，需多次測(cè)量，把握熱變形及應(yīng)力等因素導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

1.4 必要性總結(jié)

在對(duì)機(jī)械制造加工的精確技術(shù)的控制中，最重要的方法是不斷提高加工過(guò)程中的檢測(cè)水平，最大限度地運(yùn)用一些綜合的、先進(jìn)的技術(shù)水平來(lái)提高機(jī)械制造中的測(cè)量技術(shù)及檢測(cè)水平[5]。經(jīng)對(duì)機(jī)械加工過(guò)程變形的主要原因進(jìn)行分析，可知在機(jī)械加工中需多次精確測(cè)量工件余量、多次釋放應(yīng)力，最終提高工件的機(jī)械加工精度；因此，對(duì)于大型框環(huán)結(jié)構(gòu)快速測(cè)量技術(shù)的研究具有十分重要的意義。

2 大型環(huán)形結(jié)構(gòu)快速、精確測(cè)量技術(shù)

從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、CQ52100數(shù)控立車的設(shè)備結(jié)構(gòu)及改制原理等方面展開分析，從走刀方向、進(jìn)給量與圓弧半徑的關(guān)系、測(cè)量方法進(jìn)行研究，得出一套可行的快速測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)某13 m框環(huán)結(jié)構(gòu)件的快速測(cè)量，且測(cè)量精度控制在0.1 mm以內(nèi)。

2.1 CQ52100數(shù)控立車結(jié)構(gòu)分析及改制原理

2.1.1 車床基本概況及改制分析

CQ52100數(shù)控立車為龍門式立式車床，車床采用分離式結(jié)構(gòu)，工作臺(tái)底座與龍門架分離，立柱與地基相連，橫梁在龍門架的左右立柱上移置，橫梁上置有2個(gè)處置刀架，在橫梁上實(shí)現(xiàn)水平進(jìn)給，滑枕在垂直刀架滑座上實(shí)現(xiàn)垂直進(jìn)給；數(shù)控系統(tǒng)為西門子802D。車床主要結(jié)構(gòu)包括刀架、支承立柱、橫梁和卡盤等(見圖1)，其中，卡盤直徑為7 100 mm，2個(gè)支承立柱間距為10 000 mm，最大車削高度為4 000 mm，最大加工直徑為10 000 mm。

圖1 車床主要結(jié)構(gòu)及加工范圍

由圖1可知，2個(gè)支承立柱間距和橫梁上刀架行程限制了加工能力。經(jīng)過(guò)分析可知：1)在10 000 mm加工范圍內(nèi)，刀架上刀具走刀方向與卡盤回轉(zhuǎn)中心共線；2)刀架移至最大加工點(diǎn)，將左右支承立柱水平向后移動(dòng)4～5 m，其圓弧半徑、刀架最大橫移距離、立柱后移距離組成直角三角形，借助勾股定理，其車削半徑隨立柱后移量而增大，立柱移動(dòng)距離，可通過(guò)地基之間的距離測(cè)量確定。立柱移動(dòng)直角三角形示意圖如圖2所示。

圖2 立柱移動(dòng)直角三角形示意圖

2.1.2 走刀方向、進(jìn)給量M與工件半徑R的關(guān)系分析

圖3 進(jìn)給量M與半徑R之間的關(guān)系

2.2 工藝路線與測(cè)量試驗(yàn)

2.2.1 工藝路線規(guī)劃

工藝路線規(guī)劃流程如圖4所示。

圖4 工藝路線規(guī)劃流程圖

2.2.2 變量Z與進(jìn)給量M的關(guān)系分析

圖5 變量Z與進(jìn)給量M的關(guān)系

2.2.3 測(cè)量試驗(yàn)及結(jié)果分析

為對(duì)工藝流程及改制方案進(jìn)行驗(yàn)證，分別對(duì)3組工件機(jī)械加工完成后進(jìn)行快速測(cè)量(結(jié)果見表1)，具體步驟如下：1)確定目標(biāo)內(nèi)徑R；2)車工多次測(cè)量Z值，利用R1與Z以及M與R1之間的等量關(guān)系計(jì)算進(jìn)給量M進(jìn)行加工；3)當(dāng)Z值滿足公式R=R1=Z(變量)+N(定值)+P(定值)時(shí)，完成內(nèi)徑加工；4)利用紅外跟蹤儀器測(cè)量?jī)?nèi)徑d/2；5)對(duì)比d/2及內(nèi)徑R1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表 (mm)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)CQ52100數(shù)控立車進(jìn)行改制，可滿足大型環(huán)形結(jié)構(gòu)件加工，提高車床加工能力。精車時(shí)，可利用內(nèi)徑千分尺快速測(cè)量，工件半徑的測(cè)量精度可以控制在0.1 mm以內(nèi)，無(wú)需采用紅外跟蹤儀多次測(cè)量余量，節(jié)約了大量的人力、物力，提高了生產(chǎn)效率。

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[2] 尤政, 梁晉文. 高精度大型工件內(nèi)徑自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)[J]. 航空計(jì)測(cè)技術(shù)，1995(2):3-5, 8.

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[4] 劉學(xué), 梁翠. 薄壁件加工工藝優(yōu)化技術(shù)研究[J]. 化工管理，2015(15):97.

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