微小工件多面細小孔及螺紋孔加工自動化設計

蔣桂平 潘宇倩

(①桂林廣陸數字測控有限公司，廣西 桂林 541213；②廣西科技大學鹿山學院，廣西 柳州 545616)

微小工件的多面孔加工在機械加工中屬難于加工的類型，而微小工件上的細深孔和螺紋孔的加工難度就更大了。但是隨著機械化、自動化、智能化在各個行業的不斷深入，各種精致而適用的智能設備也逐漸深入了人們的生活，而對組成這些精致智能設備的微小工件進行加工已經成為了制造行業的常態，尤其是對一些測量儀器上的零部件加工，存在零件體積小、加工精度要求高、加工工序復雜、尺寸一致性要求高等特點，在機械加工領域屬于具有挑戰性的加工。

基于此，本文以一個具體的工件為例，從工藝分析、設備選擇、自動化機械手設計、自動夾具設計、刀具選擇、在線刀具檢測等多個方面來優化這種類型工件的加工，目的在于使這種類型的工件在加工過程中可以獲得更高的加工精度和加工效率。

1 多面細小孔與螺紋孔的工藝分析

1.1 工件概況

工件名稱：測量滑板；材料：4Cr13(不銹鋼)；硬度：150～200 HBS；重量：100 g；加工節拍：3.5 min/件。

各孔加工要求如圖1所示。

(1)主視圖孔加工要求：5-φ2.2 mm通孔，孔間距要求保證公差范圍為±0.1 mm；5-φ3.2 mm沉孔深度為2 mm，孔間距要求保證公差范圍為±0.1mm，并理論上要求φ2.2 mm與φ3.2 mm同心。因為孔徑太小，就意味著加工鉆頭的直徑也很小，剛性不足，且是加工不銹鋼材質，所以鉆頭極其容易折斷，尤其是當加工設備的定位精度和重復定位精度較差的時候，鉆頭折斷的幾率更大。

(2)仰視圖螺紋孔的加工要求：底孔2-φ1.85 mm；螺紋孔2-M2通，螺紋孔間距要求保證公差范圍為±0.1 mm，這個面上的孔為加工難度要兩點：①底孔鉆頭直徑太小，直徑為1.85 mm，在加工的時候對加工設備、夾具、刀柄的穩定性要求非常高，只要有一個環節出現稍微的偏差就會導致鉆頭的折斷。②加工設備的定位精度和重復定位精度要求非常高，因為該面上的加工是先做底孔，然后再通過刀庫換成M2的絲錐來攻絲，如果定位精度和重復定位精度不準，M2的絲錐極其容易斷裂，或者使用壽命和加工質量達不到零件使用要求。

(3)俯視圖螺紋孔的加工要求：底孔2-φ1.85 mm；螺紋孔2-M2通，螺紋孔間距要求保證公差范圍為±0.1 mm；底孔3-φ2.3 mm；螺紋孔3-M2.5通，螺紋孔各自之間的間距要求保證公差范圍為±0.1 mm；這個面上的孔的加工也面臨著與仰視圖孔的加工一樣的難點與挑戰。

1.2 加工工藝難點分析

(1)各組孔的直徑太小，加工的鉆頭也同樣直徑太小、剛性不足，難以獲得較好的刀具壽命和工件加工質量，加工成本相對較高，加工精度和質量難以保證。

(2)不銹鋼的材質增加了加工難度。因為不銹鋼材質本身具有加工硬化嚴重、加工溫度高、切屑不易折斷，易粘結、刀具易磨損等加工弊病，即使常規的孔徑加工也屬于難以加工的零件類型，對于小孔加螺紋孔的加工則是難上加難。

(3)工件太小不利于夾具的制作。要在一臺設備上通過一次裝夾實現3個面的加工，并且是要求自動定位和夾緊全自動化的夾具類型，將給夾具的設計帶來很大挑戰。

(4)刀具折損后的處理。因為這個工件牽涉到多道工序的加工，且很多工序都存在前后相互影響的關聯，例如底孔鉆頭如果折斷，沒有按既定工藝加工出底孔，當絲錐繼續執行加工命令，絲錐也會出現折斷，那么無論從刀具的壽命、機床的保護還是工件的再利用等途徑來說都是不合理的。

(5)工件的排削。這看似不是一個問題，其實是一個決定工件質量和刀具壽命的大問題，也是整個加工是否能夠可靠實現的大問題，也是一個設計難點。

2 加工設備的選擇

針對以上工件圖紙的加工工藝分析，在加工設備上有兩種方案可以選擇：

第一種是采用專用機床進行該工件的加工。這種設備的優點是具有非常強的針對性，無論是機床的結構布局，還是精度規劃都可以根據工件的具體工藝要求來設計，具有明顯的單一性和專注性，在加工效率和質量保證方面具有極大的優勢；缺點是設計周期過長，試制有風險，缺少通用性，機床的性價比不高，在工件加工的范圍和廣度上有很大的局限性。

第二種是采用小型立式加工中心進行該工件的加工。這種設備的優點是設備采購周期短，結構和精度穩定性高，且設備的通用性能好，能適應更廣泛的加工要求；不足之處就是加工效率方面不如專用機床高。

本次加工的工件為三面都有加工要求的微小工件，且要求一次裝夾實現所有的加工工序，因此決定采用的加工設備為通用型的小型加工中心，配備第四軸回轉臺來完成。這樣配置不僅可以滿足工件的三面加工要求，還可以在最短的周期內完成設備的配備。

本次加工采用的小型立式加工中心為某企業自行研發的某加工中心，其主要的特點是運行速度快，加工精度高，結構剛性好，加工柔性高，設計布局合理等，其詳細的技術參數參見表1。

表1 小型立式加工中心參數表

序號項目名稱項目參數1X×Y×Z三向運動行程/mm×mm×mm700×400×3002工作臺面尺寸/mm400×8003主軸轉速/(r/min)0～12 0004主軸端面至工作臺距離/mm155～4555主軸電動機功率/kW5.56三向快速移動速度/(m/min)207工作臺最大載重量/kg2508刀庫型號BT30-16T夾臂式刀庫9CNC電腦數控分度盤分度精度/(″)2010CNC電腦數控分度盤重復精度/(″)611CNC電腦數控分度盤最小設定單位/(°)0.001

立式加工中心采用日本FANUC數控操作系統，同時配備自動加工冷卻系統、加工吹氣清理切屑系統、自動排屑系統、自動拉刀系統、電動機過載保護功能、剛性攻絲功能、主軸氣吹保護功能等輔助功能，可以最大限度地保證工件的高精度穩定加工。機床的配置布局圖如圖2所示。

3 自動化機械手的設計

該工件的特點為批量大、加工工序多且相對單一、加工時間節拍短、加工精度要求高、工件質量一致性要求嚴格、對工人的技術依賴程度低、對設備的穩定性要求高等。鑒于此，對該零件的加工實行自動化上下料的設計。具體的方案如下：

(1)采用排列式堆料方式實行工件的批量放置和供料，并采用伺服電動機、減速機、齒輪、齒條、直線導軌和定位氣缸等輔助功能部件實行工件的移動和定位。輔助功能部件的主要功能是為取料機械手提供源源不斷的待加工工件，為放料機械手提供空置的料筐。同時在結構上做了一些處理，即當一個料筐的待加工工件被機械手拿取完畢后，通過適當的位移和定位，將這個空置的料筐變成存放已加工好工件的存料筐，并直接與放料機械手進行對接。這個設計，不僅讓整個自動上下料機構設計變得緊湊而有效率，同時也極大地節約了設備生產成本和設備占地空間，具有一舉多得的效用。

(2)機械手的X向運動。該向運動我們采用了伺服電動機、減速機、齒輪、齒條、直線導軌等功能部件進行有機組合，其目的是實現兩臺機械手即上料機械手和下料機械手的同時橫向移動。通過將兩臺機械手復合在一個橫向移動軸上，既實現了機械手的運動，又實現了料筐的共用，同時還節約了結構空間和制造成本。

上料機械手和下料機械手兩個方向的運動都是通過伺服電動機、減速機、齒輪、齒條、直線導軌等功能部件進行有機組合來實現，所不同的是兩者起到的作用和運動的時間上有先后順序。因此，需要通過PLC程序將機械手的上下料過程和料筐的送料運動及機床工作臺的接料運動有機配合起來，實現整個加工工件的自動化上下料過程。

綜上所述，該功能部件綜合了3個方面的進給移動和工件的堆料料筐等結構設計，是一個具有獨立運行能力并可以和機床配合使用的自動化功能部件，其具體的結構布局如圖3所示。

4 自動夾具設計

4.1 夾具設計難點分析

對于機械加工工作來說，夾具設計是重中之重，也是一個工件加工質量和精度的核心保證。如果夾具不可靠，或者夾具設計不合理，那工件的加工肯定是無法達到預期要求的，因此必須嚴格保證夾具設計的可靠性和實用性。根據微小工件的外形結構特點及加工要求，夾具設計具有以下設計難點：

(1)工件外形尺寸小。微小工件基本的外形尺寸為25 mm×65 mm×6 mm，要實現對這類工件的定位和夾緊，且要給機床的主軸和刀具留出足夠的加工空間，在夾具的結構設計上是具有相當難度的。

(2)工件的加工面多。由于工件本身尺寸較小，且還需要在3個面上實現加工操作，那么3個面可供利用的設計空間是非常小的，同時還需要在這有限的空間里預留定位基準和壓緊位置，并要避開主軸和刀具的加工路徑。

(3)加工的穩定性要求高。微小工件的加工以細小孔和細小螺紋孔為主，這就對工件的定位和夾緊可靠性具有很高的要求，如果夾緊不可靠，將導致鉆頭和絲錐的折斷，甚至工件的損毀。

(4)自動化夾緊難度大。如果是普通的人工夾緊方式，在傳統的夾具設計上有很多可以借鑒的定位和壓緊方式，因為上下料均為人工操作，存在較大的柔性空間。而能夠配合機械手使用的自動化夾具，在結構和空間上需要為機械手預留工件的抓取和放置空間，同時這些空間由于機械手的柔性程度較低還不能與其他部件有牽連，因此這是夾具設計的又一個難點。

(5)定位面和基準面的材質和硬度要求高。這本是夾具的通用要求，但是對自動化集成的夾具在這方面的要求又更高一些。這是因為機床所有的運行都是靠程序來完成的，一般只有工件加工出錯了，才會對夾具的磨損或毀壞等方面進行人工檢查，相比傳統的加工方式更依賴于夾具的可靠性。所以應在夾具的材料選擇和熱處理方式上有充分的設計考慮。

(6)加工排屑問題。微小工件的外形尺寸小、加工工序多，夾具結構設計緊湊，這就給工件的加工排屑造成了困難。如何排屑，如何才能將切屑排得干凈，是需要面對的一個難題。同時，由于采用了機械手自動上下料的加工方式，夾具的清理同樣是一個自動化的過程，如果夾具定位面和基準面存留有上一次加工留下的切屑，那就意味著下一個工件的加工一定會存在質量問題，甚至是報廢。因此，這個問題是機械加工自動化的一個難點，更是一個痛點。

4.2 相應的設計說明

根據以上分析，下面結合夾具結構圖4對自動化夾具的設計進行相應的設計說明：

(1)針對工件的外形尺寸，設計了一個一次可以裝夾兩件的自動化夾具，這樣既可以節約自動上下料的時間，也可以節約裝夾和加工時間，特別是刀具更換的時間，從加工效率和節拍上來提升工作效率。

(2)在工件的定位面、基準面和壓緊面上對相應的零件做了鑲嵌合金材料的處理，這樣做的好處是，既保證了夾具零件的良好的加工制造特性，又保證了夾具在使用過程中的耐磨損性和可靠性。

(3)夾具的結構設計采用了分散點定位的方式，同時針對易磨損和毀壞的零件做了分離式處理。通過這樣的設計，在不更換夾具主體結構的前提下，只需要對易損耗的局部夾具零件進行更換即可完成對整套夾具的維修與翻新，既保證了夾具的維修周期，也節約了夾具制造成本。

(4)夾具采用氣動自動夾緊和定位方式。因為對微小工件的加工屬于輕鉆削加工，工件所承受的加工力相對較小，采用氣動夾緊的方式可以保證工件的夾緊。此外通過設置相應的氣動保護裝置和氣壓檢測裝置，以及在加工程序里做相應的程序互鎖設計，只要夾具夾緊出現異常，機床會馬上停止加工，等異常報警消除后再恢復加工。

(5)在每個面加工孔位的夾具對應位置，都設置了相應的排屑孔，使加工過程中產生的切屑可以在冷卻液的沖刷下有足夠的空間排出。并在自動吹掃切屑的設計基礎上，從吹掃角度和吹掃力度都做了大量的實驗和數據收集，最后形成了可靠的切屑清理方案，切實的保證工件的高質量加工。

(6)工件的三面孔位加工，通過面與點定位相結合的方式，成功地將3個面上的加工孔位都留出了相應的加工空間，也留出了機械手抓取的空間，同時結合數控分度盤的使用，通過CNC程序的控制，順利地實現了該微小工件三個面上的所有孔位的加工。

5 刀具的選擇

刀具選擇是否正確，直接決定了零件加工的質量和精度，也決定了機床的使用壽命和零件加工精度。所以在刀具的選擇上，主要的難點如下：

(1)工件孔徑較小。從上面的工件工藝分析中可以看到，最大的孔徑才φ3.2 mm，最小的達到了φ1.85 mm，而螺紋孔也是只有M2和M2.5兩種，而且光孔和螺紋孔的數量都很多，這給加工帶來了很大的難度。作為一個全自動化加工單元，不可能頻繁更換刀具，在考慮加工刀具可靠性的同時還需要考慮加工刀具的壽命，且需要兼顧加工成本。

(2)加工材質的問題。由于不銹鋼的加工特性一般，最大問題在于它的粘刀特性，導致它在鉆頭或絲錐的加工過程中時常被材料粘住。同時因為鉆頭和絲錐的直徑太小，剛性不足，也容易引起鉆頭和絲錐的折斷。通過對大量品牌、型號的測試，以及對相應加工參數的不斷調整，根據積累的數據，最后選擇了來自日本的OSG的WD硬質合金鉆頭和S-XPF擠壓絲錐。這兩種刀具既可以較好地滿足對加工精度和加工效率的要求，也較好地滿足了刀具壽命的要求。

(3)兼顧切削液的選擇。切削液有兩個作用，第一是冷卻刀具和工件，借此提升刀具的使用壽命和降低工件在加工過程中的表現，消除加工內應力；第二是起到刀具的潤滑作用。對于微小工件的細小孔位加工，潤滑的作用顯得尤為重要，這也是一個很容易被忽略的地方。

6 刀具在線檢測

作為一套全自動化的加工單元，刀具的在線檢測顯得尤為必要，這種檢測還需要根據該工件的加工特點進行。如在加工螺紋孔時，必須先加工螺紋底孔，然后才能實現螺紋孔的加工，如果在加工螺紋底孔的時候發生了刀具的折斷，而機床又沒有出現相應的報警和停機響應，那就意味著絲錐也會跟隨著折斷。

針對這個自動化設備，設計了一套刀具在線檢測裝置，其運行的原理是：每道工序加工完畢后，刀具都需要經過在線檢測裝置的檢測，以確認刀具是否完好無損；如果刀具完好則繼續執行后面的加工程序；如果刀具已經發生了折斷，則機床發出報警并停止加工，等待操作人員更換好刀具后再進行接下來的加工。

刀具在線檢測裝置的設計，是通過光電感應開關的通斷原理來實現對刀具的檢測。如圖5所示，每當刀具通過光電感應開關的中間位置時，就回觸發一次光電感應開關的信號，這個信號就會反饋給數控系統，并執行后續程序。如果刀具折斷，則不能觸發光電感應開關的信號，機床數控系統沒有收到反饋的開關信號，則判定刀具已經折斷，機床會進入報警等待狀態。

7 結語

本次研發的微小工件多面細深孔及螺紋孔自動化加工項目，先后完成了工件加工工藝分析，加工設備選型，自動化上下料裝置設計、自動夾具設計、在線檢測設計等方面的內容，并在理論基礎的指導下做了大量的測試工作，得到了如下結論：

(1)加工設備的通用化選擇，提升了加工效率和使用范圍，也滿足了項目研發的多方面的要求。

(2)單件加工的節拍可以控制在3 min/件中以內，滿足了企業的加工需求，提升了加工效率，節約了生產成本。

(3)全自動化的設計提升了企業的形象，既保證了工件的高質量加工，也提升了產品的市場競爭力。

(4)經質檢部門和市場的驗證，工件的各道加工工序質量和精度均達到或超過了預期的要求，自動化設備運行狀態良好，刀具使用安全可靠，完全符合企業的要求。

綜上所述，該微小工件多面細深孔及螺紋孔自動化加工效果理想，這種加工過程完全自動化的嘗試經驗，也為后續的技術人員提供了可靠的借鑒方案，對于我國的機械加工領域的技術發展具有成功示范效果和現實價值。

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