能譜儀上座的數(shù)控加工

1序言

X射線光電子能譜儀是一種用于分析材料化學(xué)成分及其含量的精密儀器，利用不同元素X射線光子特征能量不同這一特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行成分分析。特征X射線的產(chǎn)生是入射檢測(cè)器的電子束使內(nèi)層電子激發(fā)而發(fā)生的現(xiàn)象。為了能夠準(zhǔn)確地測(cè)定材料的化學(xué)成分，需要有一定能量的電子對(duì)待測(cè)表面的微小區(qū)域進(jìn)行轟擊，為此，在儀器的不同方位安裝了多個(gè)電子發(fā)射器，并且要求由它們所發(fā)出的電子束能夠在待測(cè)位置集聚在一起，這就對(duì)安裝電子發(fā)射器的支座零件——上座的加工精度提出了較高的要求。

該零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，需多軸加工完成。但是，若采用多軸數(shù)控機(jī)床加工，會(huì)導(dǎo)致加工成本大幅度增加。如果能夠在工藝分析的基礎(chǔ)上，采取一定的工藝措施，在普通數(shù)控機(jī)床上加工完成，就可以極大地降低成本。圍繞這一思路，通過(guò)工藝分析，最終選用普通數(shù)控車(chē)床和三軸數(shù)控銑床完成零件的加工，經(jīng)檢驗(yàn)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2零件分析圖1為元素能譜儀上座零件，材料為Q235，單件生產(chǎn)，零件的總體結(jié)構(gòu)呈傘塔狀。圖1元素能譜儀上座零件零件錐面上分布著6個(gè)用于安裝電子發(fā)射器的斜向階梯孔，大孔和小孔的尺寸公差等級(jí)分別為IT7和IT8，左邊3個(gè)階梯孔軸線水平投影線的夾角為45°，右邊的也同樣為45°，左右兩邊對(duì)稱，并且這6條軸線匯聚在工件中心軸線上、距端面1.8mm的點(diǎn)處。頂部端面有一R45mm的圓弧形凹槽，用于安放筒形發(fā)光管，其中心軸線過(guò)錐面上左邊和右邊斜向階梯孔的對(duì)稱面。在這個(gè)凹槽中部不但有一R49.5mm、長(zhǎng)度80.5mm的圓弧形凹槽，還有階梯孔，其大孔和小孔的尺寸分別為φ64.3mm（IT7）和φ25mm。零件的底部腔內(nèi)有尺寸為R115mm和表面粗糙度值Ra=1.6mm的弧面。除此之外，底部還有臺(tái)階面，用于與其他零部件的準(zhǔn)確聯(lián)接，其中臺(tái)階端面有螺紋孔和密封槽，精度要求一般，而短圓柱面的尺寸精度要求較高，為φ210mm（約IT6）。

3加工難點(diǎn)及解決方案該零件的加工難點(diǎn)及相關(guān)的解決方案如下。1）頂部圓弧形凹槽與錐面上斜向階梯孔軸線之間空間位置關(guān)系的保證。圖1所示頂部圓弧形凹槽的中心軸線過(guò)錐面上左邊和右邊斜向階梯孔的對(duì)稱面，并且與錐面中心軸線正交。為此，將中心位置的φ25mm孔作為工藝孔，將其加工精度提高至φ25H7，在一次裝夾中將該孔與錐面精加工同步成形，從而保證兩者之間很高的同軸度。后續(xù)加工頂部圓弧形凹槽時(shí)，以φ25H7工藝孔作為找正基準(zhǔn)，這樣可以保證圓弧形凹槽與錐面的兩條中心軸線在一個(gè)平面里正交。為了保證頂部圓弧形凹槽與錐面上斜向階梯孔的位置關(guān)系，可以在完成φ25H7工藝孔的加工之后，先以該孔為基準(zhǔn)，在頂部加工一個(gè)工藝槽，該槽的對(duì)稱面過(guò)工藝孔的中心軸線，在加工頂部圓弧形凹槽和斜向階梯孔時(shí)都要以該工藝槽作為找正基準(zhǔn)。加工完斜向階梯孔之后，再加工頂部圓弧形凹槽，遵循基準(zhǔn)統(tǒng)一的工藝原則，有利于相互位置關(guān)系的保證。工藝孔、工藝槽和工藝內(nèi)錐面如圖2所示。圖2工藝孔、工藝槽和工藝內(nèi)錐面2）斜向階梯孔的軸線與底面夾角的保證，以及這6個(gè)孔軸線的水平夾角保證和匯交性的實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，斜向階梯孔的軸線與底面夾角為35°，軸線匯交點(diǎn)在該零件軸線上、距下端面1.8mm處。左邊3個(gè)階梯孔的軸線在水平面里投影線的夾角為45°，右邊的同樣也為45°，并且兩者之間對(duì)稱。五軸加工中心可以比較容易地保證這些要求，但由于其加工成本是普通數(shù)控加工的數(shù)倍，所以立足于經(jīng)濟(jì)性考慮，選用普通數(shù)控銑床，并借助機(jī)床附件和專用夾具的輔助功能等來(lái)解決這些問(wèn)題。萬(wàn)能分度頭作為銑床上常用的附件，除了能夠分度外，還可以使工件在垂直于工作面的平面里實(shí)現(xiàn)一定角度的傾斜，傾斜角度的大小可以通過(guò)刻度控制，但是誤差較大。使用萬(wàn)能分度頭的傾斜功能加工斜向階梯孔無(wú)疑是一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)的方法，為了克服其傾斜角度誤差較大的缺點(diǎn)，在斜向階梯孔加工之前，應(yīng)預(yù)先在工件頂部車(chē)出工藝內(nèi)錐面（見(jiàn)圖2），其錐斜角為55°。使用百分表調(diào)整，保證其最上側(cè)母線垂直于工作臺(tái)面，這樣就可以保證斜向階梯孔的軸線與底面夾角為35°。同時(shí)為了保證這6個(gè)斜向孔的軸線和工件整體的軸線在一個(gè)平面內(nèi)，進(jìn)而保證6條軸線的交性匯，在安裝工件之前，可以使用檢驗(yàn)棒、量塊等找出卡盤(pán)卡爪的夾持軸線，并將其對(duì)應(yīng)的位置記錄下來(lái)。同時(shí)，使用萬(wàn)能分度頭的分度功能保證6個(gè)階梯孔軸線在水平面里的投影夾角。但是，由于工件直徑尺寸比較大，無(wú)法直接使用萬(wàn)能分度頭上的自定心卡盤(pán)夾持，所以采用過(guò)渡盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩者之間的聯(lián)接。同時(shí)，底部使用輔助支撐，以防工件在加工過(guò)程中向下偏斜。圖3為斜向階梯孔的加工過(guò)程。圖3斜向階梯孔的加工過(guò)程3）零件底部臺(tái)階端面相對(duì)于外圓錐面軸線垂直度的保證。圖樣上雖然沒(méi)有標(biāo)注出兩者之間的公差要求，但從使用情況推想，如果存在較大的垂直度誤差，則可能會(huì)使電子束無(wú)法準(zhǔn)確地聚集在待測(cè)區(qū)域。為了保證垂直度，以下端臺(tái)階面的短圓柱面和端面為定位基準(zhǔn)，加工圓錐面。4）頂部圓弧形凹槽的加工。頂部圓弧面的加工深度較大，若采用大直徑刀具銑削，則會(huì)引起振動(dòng)，嚴(yán)重的會(huì)使工件松動(dòng)，從而使加工精度超差，甚至發(fā)生事故。綜合考慮質(zhì)量、效率和安全因素，充分利用數(shù)控加工的優(yōu)勢(shì)，決定采用較小直徑的立銑刀完成粗銑，并采用較小直徑的球頭銑刀完成精銑。5）底部型腔的加工。該零件底部型腔的加工余量大，形狀較復(fù)雜，表面質(zhì)量要求較高，普通車(chē)床很難完成加工。數(shù)控車(chē)床在復(fù)雜回轉(zhuǎn)面精度保證和加工余量去除方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以利用數(shù)控車(chē)床系統(tǒng)中的固定循環(huán)功能，完成弧面的粗、精加工，并采用恒線速切削功能，保證弧面的較低表面粗糙度值Ra=1.6mm的要求[5]。型腔加工路線如圖4所示，型腔加工效果如圖5所示。圖4型腔加工路線圖5型腔加工效果4工藝路線在分析了上座零件加工難點(diǎn)及解決方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)控加工的特點(diǎn)，以加工部位作為劃分工序的主要依據(jù)，制定上座零件的加工工藝路線見(jiàn)表1。表1上座零件的加工工藝路線5加工效果新方案實(shí)施后，立足于經(jīng)濟(jì)性考慮，在普通數(shù)控銑床上借助機(jī)床附件和專用夾具，解決了上座零件的工藝基準(zhǔn)和裝夾找正難題。利用數(shù)控車(chē)床的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，安排合理的工藝路線，完成上座零件底部型腔的弧面車(chē)削加工，以及頂部圓弧面和錐面上階梯孔系的銑削加工。經(jīng)首批加工和成品檢驗(yàn)，頂部圓弧形凹槽與錐面上斜向階梯孔的空間位置關(guān)系完全符合圖樣要求，底部型腔的弧面表面粗糙度值達(dá)到Ra