試驗(yàn)用水下航行器有機(jī)玻璃導(dǎo)管的加工技巧分析

摘要：介紹了一種導(dǎo)管，它是船舶推進(jìn)器試驗(yàn)用配套零件，在推進(jìn)系統(tǒng)中的作用是減小尾流的收縮和葉梢的渦流損失，獲得附加的推力，提高航速。該零件特點(diǎn)：內(nèi)外型面均為不規(guī)則曲線(xiàn)，材料為有機(jī)玻璃PMMA薄壁件，加工時(shí)熱脹冷縮易產(chǎn)生較大的變形。鑒于此，通過(guò)從有機(jī)玻璃PMMA薄壁件加工的工藝路線(xiàn)、刀具選擇、程序生成、切削要素等方面進(jìn)行分析，解決脆性有機(jī)玻璃薄壁變界面導(dǎo)管精細(xì)加工的難題，為后續(xù)導(dǎo)管加工、試驗(yàn)提供參考。

關(guān)鍵詞：熱脹冷縮；變形；尺寸控制

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.8" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）22-0072-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.018

0" " 引言

該導(dǎo)管使用的材料為有機(jī)玻璃PMMA，材料透光性能好，導(dǎo)管在水中試驗(yàn)時(shí)通過(guò)高速攝像機(jī)能夠清晰拍攝到螺旋槳在導(dǎo)管內(nèi)部試驗(yàn)的各種工況，得到精確數(shù)據(jù)，為后續(xù)的研究設(shè)計(jì)提供支撐。有機(jī)玻璃質(zhì)地較脆，易溶于有機(jī)溶劑，硬度低，且薄壁件容易刮傷、變形，加上內(nèi)外型面復(fù)雜、精度高，加工難度極大。下文主要以導(dǎo)管零件加工為例做深入探討。

1" " 數(shù)據(jù)的整理及出圖

自航試驗(yàn)推進(jìn)器導(dǎo)管主要參數(shù)如表1所示。

自航試驗(yàn)推進(jìn)器導(dǎo)管型值如表2所示。

將型值表的數(shù)據(jù)整理成CAXA數(shù)控車(chē)2020繪制樣條曲線(xiàn)所需的DAT格式文件，利用CAXA數(shù)控車(chē)2020的樣條曲線(xiàn)功能spling，導(dǎo)入整理好的導(dǎo)管內(nèi)外兩條DAT數(shù)據(jù)，就得到了兩條樣條曲線(xiàn)，繪制出一個(gè)可用于加工的導(dǎo)管加工圖樣，如圖1所示。

2" " 毛坯確定

按導(dǎo)管型值表，確定毛坯外徑最大直徑為?157 mm，內(nèi)型面最小直徑為?128 mm，導(dǎo)管長(zhǎng)度為133.33 mm，按照加工工藝，加一段長(zhǎng)5 mm、壁厚1.31 mm的工藝連接段（便于后續(xù)切斷用），然后加一段20 mm長(zhǎng)的工藝夾頭，便于導(dǎo)管裝夾的后續(xù)加工。所以，毛坯下料直徑?160×165 mm的有機(jī)玻璃棒料。最終加工毛坯形狀尺寸為?128 mm×?157 mm×159 mm，導(dǎo)管和毛坯如圖2所示。

導(dǎo)管加工的設(shè)備為沈陽(yáng)機(jī)床數(shù)控車(chē)床，型號(hào)為CAK61135DJ。刀具：內(nèi)孔刀桿牌號(hào)為S40T-SCLCR12，刀片為CCGT120402-AK H01；外圓刀刀具牌號(hào)為SVJBR2525M16C，刀片為VCGT160404-AK H01[1]。導(dǎo)管毛坯裝上數(shù)控車(chē)，首先用?50 mm麻花鉆通孔，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速170 r/min，孔鉆完后，使用轉(zhuǎn)速236 r/min加工左側(cè)端面、外圓?157 mm、長(zhǎng)25 mm，再加工內(nèi)孔至?80.0 mm，這個(gè)孔供后續(xù)打孔工序使用。翻轉(zhuǎn)工件裝夾?157 mm外圓，加工總長(zhǎng)至159 mm，車(chē)削內(nèi)孔?128長(zhǎng)139 mm，車(chē)削外圓?157 mm長(zhǎng)139 mm。后續(xù)外圓內(nèi)孔車(chē)削采用轉(zhuǎn)速236 r/min，進(jìn)給0.1 mm/min，進(jìn)給不能快，否則有機(jī)玻璃會(huì)崩碎，按導(dǎo)管施工圖加工至規(guī)定尺寸。

3" " 程序分析

由導(dǎo)管型值表可知，在導(dǎo)管內(nèi)型面Z-125.75，直徑數(shù)據(jù)逐漸變大，因?qū)Ч転榍妫约庸r(shí)刀具需要更換，內(nèi)孔刀桿使用S40T-SVUBR16牌號(hào)，刀片為VCGT160404-AK H01。運(yùn)用CAXA數(shù)控車(chē)2020的數(shù)控加工模塊，分粗加工和精加工兩個(gè)工藝完成導(dǎo)管的加工，共需編制4個(gè)加工程序，外形和內(nèi)形粗加工2個(gè)程序，分別留余量單邊1 mm，然后再進(jìn)行內(nèi)外形精加工2個(gè)程序，加工余量為0 mm。粗加工切削深度單邊1.5 mm，進(jìn)給0.2 mm/min；精加工進(jìn)給0.1 mm/min[2]。

4" " 導(dǎo)管粗加工

導(dǎo)管加工的設(shè)備是沈陽(yáng)機(jī)床CAK61135DJ數(shù)控車(chē)床，四工位刀架。T1刀位采用25-40-160L抱緊式刀架，安裝?40內(nèi)孔刀S40T-SVUBR16，T3刀位安裝外圓刀SVJBR2525M16C。刀具安裝完成后，開(kāi)始試切毛坯對(duì)刀，完成對(duì)刀后，開(kāi)始先內(nèi)形再外形的粗加工。在加工過(guò)程中，要注意刀具的切削情況，適當(dāng)調(diào)大調(diào)小進(jìn)給值，保證切削順利進(jìn)行[3]。

以下是內(nèi)形粗加工程序（數(shù)控系統(tǒng)FANUC 0i MATE-TD）：

O0001

N10 G99G21G40

N12 T0101（?40內(nèi)孔刀 S40T-SVUBR16）

N14 M42（236 r/min）

N16 M03

N18 G00 X125.227 Z2.21

N20 G00 Z2.707

N22 G00 X129.414

N24 G95 G01 X131.414 F5

N26 G01 X130. Z2

N28 G01 Z-137.8 F0.2

……

N124 G00 X125.227

N126 G00 Z200.0

N128 M05

N130 M00

5" " 應(yīng)力的釋放

粗加工結(jié)束后，因有機(jī)玻璃材質(zhì)受熱產(chǎn)生應(yīng)力變形影響型值精度，為保證后續(xù)加工尺寸，需拆下導(dǎo)管，自然釋放應(yīng)力1 h，等應(yīng)力完全釋放后再進(jìn)行后續(xù)精加工[4]。

6" " 精加工刀具準(zhǔn)備及對(duì)刀

為了保證加工的尺寸精度，精加工前需要為外圓和內(nèi)孔刀更換新的刀片并重新對(duì)刀。內(nèi)孔刀X值對(duì)刀采用對(duì)刀塊試切內(nèi)孔，刀具Z方向移出，拆下對(duì)刀塊，上三坐標(biāo)測(cè)量試切段的直徑值，再在數(shù)控系統(tǒng)輸入三坐標(biāo)測(cè)量得到的直徑值對(duì)刀，外圓刀X值對(duì)刀也是重復(fù)內(nèi)孔刀對(duì)刀步驟。

7" " 半精加工

粗車(chē)完成的導(dǎo)管重新上車(chē)床，三爪裝夾位用記號(hào)筆做好標(biāo)識(shí)，并對(duì)應(yīng)卡盤(pán)記號(hào)標(biāo)上1、2、3，便于半精車(chē)拆下測(cè)量時(shí)重新裝夾。然后進(jìn)行內(nèi)孔刀和外圓刀Z值的對(duì)刀，采用試切對(duì)刀，試切量在0.05 mm左右，試切完成，在數(shù)控系統(tǒng)中對(duì)Z0即可。接下來(lái)開(kāi)始半精加工，余量都是直徑1.5 mm。因?yàn)槭菃渭庸ぃ捎玫姆椒ㄊ窃谀ズ睦锛訙p值的方法，比如T1內(nèi)孔刀，在磨耗X值填-1.5，T3外圓刀在磨耗X值填1.5，后續(xù)精車(chē)直接修改磨耗即可。在開(kāi)始半精加工時(shí)，準(zhǔn)備一個(gè)室溫溫度計(jì)，放在機(jī)床旁邊，測(cè)量當(dāng)時(shí)的室溫并記錄，便于后續(xù)溫度變化時(shí)及時(shí)調(diào)整[5]。

以下是內(nèi)形精加工程序（T1磨耗值-1.5）：

N10 G99G21G40

N12 T0101（?40內(nèi)孔刀 S40T-SVUBR16）

N14 M41（170 r/min）

N16 M03

N18 G00 X124.662 Z3.071

N20 G00 Z1.645

N22 G00 X126.8

N24 G95 G01 X153.116 F5

……

N90 G01 X128.8

N92 G01 X126.8 F20

N94 G00 X124.662

N96 G00 Z200.0

N98 M05

N100 M00

以下是外形精加工程序（T3磨耗值1.5）：

O0002

N10 G99G21G40

N12 T0303（35°外圓刀SVJBR2525M16C）

N14 M41

N16 M03

N18 G00 X161.123 Z2.458

N20 G00 Z1.599

N22 G00 X159.614

N24 G95 G01 X147.187 F5

N26 G01 X145.773 Z0.892

N28 G01 X147.805 Z-0.058 F0.1

……

N90 G01 X156.2

N92 G01 X157.614 Z-137.293 F20

N94 G01 X159.614

N96 G00 X161.123

N98 G00 Z200.0

N100 M05

N102 M00

8" " 三坐標(biāo)半精測(cè)量

半精車(chē)完成后取下導(dǎo)管，觀(guān)察當(dāng)時(shí)室溫為25 ℃，送到三坐標(biāo)測(cè)量間，三坐標(biāo)間恒溫20 ℃，工件靜置2 h后開(kāi)始測(cè)量，測(cè)得內(nèi)形線(xiàn)型平均值0.7 mm，外形線(xiàn)型平均值0.72 mm。

9" " 導(dǎo)管精加工

工件重新上數(shù)控車(chē)床，安裝位置結(jié)合之前記號(hào)筆畫(huà)的線(xiàn)，用百分表檢測(cè)端面跳動(dòng)和圓跳動(dòng)，保證在0.03 mm以?xún)?nèi)即可。接下來(lái)回溫0.5 h左右，這段時(shí)間不著急對(duì)刀。根據(jù)三坐標(biāo)測(cè)得值，結(jié)合車(chē)間的室溫和三坐標(biāo)間室溫20 ℃的溫差，計(jì)算有機(jī)玻璃熱脹冷縮值。

查閱手冊(cè)：有機(jī)玻璃20～100 ℃時(shí)，線(xiàn)膨脹系數(shù)a=130×10-6/℃。

材質(zhì)：PMMA。

材料基本尺寸：d=157 mm，L=136 mm。

溫度變化：T=25-20=5 ℃。

δ=熱膨脹系數(shù)×全長(zhǎng)×溫度變化=130×10-6×157×5≈0.102 mm。

通過(guò)計(jì)算可知，有機(jī)玻璃在直徑157 mm、室溫變化5 ℃的情況下會(huì)有0.1 mm的直徑變化，在補(bǔ)償時(shí)內(nèi)孔T1內(nèi)孔刀最終磨耗值應(yīng)該是0.1 mm，T3外圓刀最終磨耗值是0.1 mm。接下來(lái)開(kāi)始對(duì)刀，對(duì)Z0即可，端面跳動(dòng)大，可以端面車(chē)一刀再對(duì)刀，切削的量不宜多，0.03～0.05 mm之間為宜。接下來(lái)按照內(nèi)形+0.5 mm、外形-0.5 mm的量來(lái)補(bǔ)磨耗去量，直到T1最終磨耗值應(yīng)該是0.1 mm，T3最終磨耗值是0.1 mm，完成精車(chē)。車(chē)間溫度25 ℃，用0～300 mm的三豐帶表游標(biāo)卡尺（精度0.01 mm）測(cè)導(dǎo)管最大直徑，測(cè)得153.1 mm，符合加工尺寸要求。最后用內(nèi)孔刀車(chē)一刀三坐標(biāo)測(cè)量基準(zhǔn)，利用指令G94車(chē)?120 mm深139.1 mm的端面，完成后，拆下導(dǎo)管進(jìn)入下一步測(cè)量。

10" " 三坐標(biāo)精車(chē)測(cè)量

完成導(dǎo)管精車(chē)加工，送三坐標(biāo)檢測(cè)。工件靜置2 h后，利用工藝夾頭?80的孔，用工裝裝夾穩(wěn)固后開(kāi)始測(cè)量。按試驗(yàn)大綱及技術(shù)要求，導(dǎo)管周向需測(cè)4個(gè)剖面，間隔90°，線(xiàn)型尺寸公差控制在±0.1 mm內(nèi)。最終測(cè)得的結(jié)果符合導(dǎo)管技術(shù)要求。

11" " 導(dǎo)管的拋光

完成精車(chē)后的導(dǎo)管，表面粗糙度不高，透光性也不是很好，為便于在水槽中更好地觀(guān)察螺旋槳的工況，需對(duì)導(dǎo)管內(nèi)外表面進(jìn)行拋光處理。拋光的方法是在車(chē)床上開(kāi)低速170 r/min，用耐水砂紙打磨拋光，用到的砂紙型號(hào)分別是160目、320目、600目、1 000目、1 500目、2 000目，在拋光過(guò)程中要不斷加水，避免產(chǎn)生高溫，最終用2 000目的砂紙拋光完成后，用水清洗干凈，放入裝滿(mǎn)清水的周轉(zhuǎn)箱中，觀(guān)察透光情況，粗糙度達(dá)到10 μm滿(mǎn)足要求，即可進(jìn)入下一步驟。

12" " 切斷

導(dǎo)管檢測(cè)合格后，進(jìn)行導(dǎo)管切斷，將導(dǎo)管裝上普通車(chē)床，切斷長(zhǎng)度按照導(dǎo)管總長(zhǎng)加上1 mm。以本文導(dǎo)管為例，切斷總長(zhǎng)是134.3 mm，割刀寬2.5 mm，切深1 mm，留0.3 mm，用線(xiàn)鋸或細(xì)齒鋼鋸慢慢切下。

13" " 控制導(dǎo)管長(zhǎng)度及最終拋光

導(dǎo)管切割下來(lái)后，車(chē)削導(dǎo)管的總長(zhǎng)及尾部數(shù)據(jù)的修整利用設(shè)計(jì)的專(zhuān)用導(dǎo)管工裝進(jìn)行，如圖3所示。

1）夾具體件1安裝到車(chē)床上，用高度尺測(cè)量切割下導(dǎo)管5的實(shí)際長(zhǎng)度。

2）把準(zhǔn)備好的件6 PVC導(dǎo)管定位板通過(guò)件7安裝到夾具體上，運(yùn)用CAXA數(shù)控車(chē)軟件截取AB這段曲線(xiàn)，編制一個(gè)加工程序，車(chē)削這段定位曲線(xiàn)與導(dǎo)管內(nèi)型面貼合。

3）安裝件2緊固螺桿，安裝導(dǎo)管5，再用件3壓板壓住導(dǎo)管外形面，擰上件4螺母，用杠桿百分表打尾部跳動(dòng)，一邊對(duì)角調(diào)整螺母，一邊觀(guān)察百分表跳動(dòng)，使導(dǎo)管尾部跳動(dòng)在0.05 mm以?xún)?nèi)。這種工裝結(jié)構(gòu)造成的導(dǎo)管變形量小，簡(jiǎn)單易操作，不同的導(dǎo)管每次只需重新加工定位板就可使用。

4）根據(jù)高度尺測(cè)得的值，用35°外圓刀SVUBR-

2525M16由里到外加工總長(zhǎng)133.33 mm，運(yùn)用G94指令。最后尾部采用手工刮削的方式加工到位，這種方式僅限于有機(jī)玻璃加工，尾部也需要砂紙打磨拋光。

14" " 最終檢驗(yàn)

對(duì)加工完成后的導(dǎo)管，最終進(jìn)行三坐標(biāo)四個(gè)剖面檢測(cè)，剖面線(xiàn)型公差保證在±0.075 mm，檢測(cè)結(jié)果滿(mǎn)足圖紙要求。

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收稿日期：2024-06-17

作者簡(jiǎn)介：錢(qián)明強(qiáng)（1987—），男，江蘇無(wú)錫人，高級(jí)技師，研究方向：機(jī)械工程與自動(dòng)化。