一种大深径比阶梯孔加工方法与流程

本发明属于内圆精密磨削加工领域，特别涉及一种大深径比阶梯孔加工方法。

背景技术：

具有大深径比特征的薄壁筒零件广泛应用于航空航天、军事、起重器械等领域，作动筒作为飞机起落架的关键液压运动部件，其加工精度和加工质量决定了飞机起落架的使用性能和安全性。

为满足现代飞机高性能、高安全性和高可靠性的飞行要求，对大深径比薄壁作动筒(孔径≤100mm，深径比≥12)的加工精度提出了更高的要求，为保障零件的强度，该类零件通常采用高强钢锻造成形，再通过大量的材料去除(材料去除量超过87％)获得薄壁筒件，期间还需要经过多道热处理工艺，最后通过精密磨削加工获得高精度的作动筒件。磨削前零件经过去应力退火，大深径比薄壁零件热处理后内孔尺寸精度差，为保证零件可靠加工，磨削阶段的加工余量较大(直径去除量为1.5～3mm)，材料加工难度大，且加工用磨杆(长度≥1m，直径≤50mm)刚性差，砂轮让刀严重，阶梯孔各孔段加工尺寸难于控制。由于内孔加工时材料去除不均匀，磨削加工后内孔易出现三类典型形状，其中包括两端孔径小中间孔径大的腰鼓形内孔、两端孔径大中间孔径小的马鞍形内孔、一端孔径大一端孔径小的锥形内孔，造成阶梯孔各孔段的尺寸精度和圆柱度误差不满足设计要求。为避免零件报废带来的极大经济损失，对不满足要求零件进行内孔修整加工，但修整加工难度较大，尤其是当部分截面内孔孔径已经进入尺寸公差或接近最大极限尺寸，而另一部分截面内孔孔径尚不满足公差要求，若采用全孔段磨削修整极易造成工件尺寸超差，导致零件报废。

为解决该类零件加工过程中出现的上述问题，目前在普通深孔磨床上针对一端孔径大一端孔径小的锥形内孔主要通过机床“调稍”解决，而针对两端孔径小中间孔径大的腰鼓形内孔和两端孔径大中间孔径小的马鞍形内孔只能依靠操作者根据经验控制机床对不合格位置进行分段修磨，最后通过光磨消除接刀痕，保证零件阶梯孔的尺寸精度和圆柱度要求。由于作动筒内孔尺寸公差小，材料去除量少，且每个零件的锥形误差不同，同时由于磨杆弹性让刀导致实际去除量小于理论材料去除量，且实际去除量与理论材料去除量的关系随加工参数变化，因此操作工人只能根据经验手动控制机床对不满足尺寸要求的部位进行反复测量和修磨加工，且机床难以精确调整到指定位置，该调整极其复杂，对操作者技术要求极高，劳动强度大，易出现欠修或者过修的问题，极易导致零件尺寸超差，使得零件报废，对生产造成极大的经济损失，且该过程费时费力，零件加工精度一致性差，难以实现自动化加工。

为此急需提出或发明一种大深径比阶梯孔加工方法，保证零件的加工精度，缩短零件修整时间，提高零件的生产效率和尺寸精度一致性。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种大深径比阶梯孔加工方法，解决了大深径比阶梯孔在磨削过程中由于材料去除不均匀导致的腰鼓形、马鞍形及锥形误差的问题，保证零件加工的尺寸精度和圆柱度，缩短零件修整时间，提高零件的生产效率和一致性，本发明采用的技术手段如下：

一种大深径比阶梯孔加工方法，具有如下步骤：

s1、测量被加工孔段不同截面处的孔径：将加工孔段划分为n个等距截面，n优选为奇数，控制机床的x轴工作台和z轴工作台进给，并测出各截面处的孔径di及对应的机床z向坐标zi，从孔口至孔底处i＝1,2,…,n，将测量结果di依次写入数控系统r变量进行存储，对应r参数为ri，其中i＝1,2,…,n；

s2、计算加工余量：根据内孔圆柱度加工要求，通过基本尺寸d0和公差e(es，ei)要求，确定理论孔径上极限尺寸dmax＝d0+es，和下极限尺寸dmin＝d0+ei，计算最小加工余量δ1＝dmin-max(di)，最大加工余量δ2＝dmax-min(di)，其中max(di)为最大测量孔径，min(di)为最小测量孔径；

s3、判断截面孔径是否进入尺寸公差：若dmax＞di＞dmin成立，则进入尺寸公差，否则未进入尺寸公差；

s4、判断内孔形状：根据测量结果ri，对比r1、r2、…、rn的大小，确定内孔形状；

如果内孔形状为中间孔径大，两端孔径小，即满足：r1＜…＜ri-1＜ri＞ri+1＞…＞rn，则定为“腰鼓形”；

如果内孔形状为中间孔径小，两端孔径大，即满足：r1＞…＞ri-1＞ri＜ri+1＜…＜rn，则定为“马鞍形”；

如果内孔形状为右端孔径小，左端孔径大，即满足：r1＜…＜ri-1＜ri＜ri+1＜…＜rn，则定为“右锥形”；

如果内孔形状为左端孔径小，右端孔径大，即满足：r1＞…＞ri-1＞ri＞ri+1＞…＞rn，则定为“左锥形”；

s5、根据内孔形状确定砂轮运动轨迹：

若内孔呈“腰鼓形”，将孔径最大截面右侧第一个进入尺寸公差的截面对应的孔径和z向坐标记为db、zb，左侧第一个未进入尺寸公差的截面对应的孔径和z向坐标记为dd、zd，砂轮运动轨迹由转折点c分为前后两段，前段轨迹由起点点和点的连线组成，后段轨迹由点和终点的连线确定，转折点c为前后两段轨迹的交点，其中，6mm≤δ1≤15mm，0.2td≤σ≤1.5td，td＝es-ei，l为磨削段内孔长度，r为砂轮圆角半径；

若内孔呈“马鞍形”，将孔径最小截面对应得孔径和z向坐标记为dc、zc，孔径最小截面右侧第一个未进入尺寸公差的截面对应的孔径和z向坐标记为db、zb，左侧第一个进入尺寸公差的截面对应的孔径和z向坐标记为dd、zd，砂轮运动轨迹由起点点转折点点及终点连线组成；

若内孔呈“右锥形”，将第一个进入尺寸公差的截面对应的孔径和z向坐标记为db、zb，砂轮运动轨迹由起点点点及终点的连线组成；

若内孔呈“左锥形”，将第一个未进入尺寸公差的截面对应的孔径和z向坐标记为db、zb，砂轮运动轨迹由起点点及终点的连线组成；

s6、控制机床x轴工作台和z轴工作台进给，使砂轮沿上述轨迹往复磨削m个循环；

s7、控制机床x轴工作台和z轴工作台进给，测量被加工孔段n个等距截面处孔径di及其对应的机床z向坐标zi，并将各截面处孔径di写入数控系统r变量进行存储，计算出最小加工余量δ1和最大加工余量δ2；

s8、判断ei-es≤δ1≤0，且0≤δ2≤es-ei是否成立，是，执行步骤s9，否，执行步骤s3；

s9、完成加工。

进一步地，上述步骤s6中，砂轮沿运动轨迹往复磨削循环次数m，根据最大加工余量δ2、磨杆刚度及σ取值确定。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明提出的一种大深径比阶梯孔加工方法，针对弱刚性磨杆加工时实际材料去除量与理论材料去除量差异大，且实际材料去除量与理论材料去除量的关系随加工参数变化的特点，提出了虑及磨杆弹性让刀的修磨加工方法对大深径比薄壁阶梯孔零件局部尺寸进行精密修整的加工方法，解决了大深径比复杂内孔形状精度难以保证的问题，尤其是当孔内某个部位孔径尺寸已经进入零件设计的公差要求时，不当的磨削修整方法极易造成零件报废。该方法提高了该类零件的加工效率、加工精度和成品率，易于实现自动化加工；

2、本发明提出的一种大深径比阶梯孔加工方法，实现三种典型零件内孔的精密修整加工，极大降低了人为因素对工件加工精度的影响，减少甚至消除该类零件磨削加工质量对操着者技术水平的依赖，提高该类零件的智能化加工水平，并有效保障零件加工质量的一致性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是大深径比阶梯孔加工方法的流程图；

图2是测量-加工一体化数控深孔磨床示意图；

图3是“腰鼓形”内孔精密修整砂轮轨迹示意图；

图4是“马鞍形”内孔精密修整砂轮轨迹示意图；

图5是“右锥形”内孔精密修整砂轮轨迹示意图；

图6是“左锥形”内孔精密修整砂轮轨迹示意图。

图中：1测头，2控制与显示单元，3x轴工作台，4磨杆，5砂轮，6z轴工作台。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种大深径比阶梯孔加工方法，基于图2所示的测量-加工一体化数控深孔磨床实现，该磨床包括测头1、控制与显示单元2、x轴工作台3、磨杆4、砂轮5、z轴工作台6。所述z轴工作台6和x轴工作台3分别位于床身左右两侧，且能够在床身上沿z轴方向、x轴方向移动，磨杆4一端通过涨紧套夹紧固定在x轴工作台6上，另一端与砂轮5连接，所述测头1通过与磨杆4平行的支杆安装在x轴工作台3上，测头1与控制与显示单元2电连接，z轴工作台6上设有三爪卡盘，工件一端夹持在三爪卡盘内，另一端设于中心架上。

如图1-6所示，一种大深径比阶梯孔加工方法，具有如下步骤：

s1、测量被加工孔段不同截面处的孔径：将加工孔段划分为n个等距截面，n优选为奇数，控制机床的x轴工作台3和z轴工作台6进给，并测出各截面处的孔径di及对应的机床z向坐标zi，从孔口至孔底处i＝1,2,…,n，将测量结果di依次写入数控系统r变量进行存储，对应r参数为ri，其中i＝1,2,…,n；

s2、计算加工余量：根据内孔圆柱度加工要求，通过基本尺寸d0和公差e(es，ei)要求，确定理论孔径上极限尺寸dmax＝d0+es，和下极限尺寸dmin＝d0+ei，计算最小加工余量δ1＝dmin-max(di)，最大加工余量δ2＝dmax-min(di)，其中max(di)为最大测量孔径，min(di)为最小测量孔径；

s3、判断截面孔径是否进入尺寸公差：若dmax＞di＞dmin成立，则进入尺寸公差，否则未进入尺寸公差；

s4、判断内孔形状：根据测量结果ri，对比r1、r2、…、rn的大小，确定内孔形状；

如果内孔形状为中间孔径大，两端孔径小，即满足：r1＜…＜ri-1＜ri＞ri+1＞…＞rn，则定为“腰鼓形”；

如果内孔形状为中间孔径小，两端孔径大，即满足：r1＞…＞ri-1＞ri＜ri+1＜…＜rn，则定为“马鞍形”；

如果内孔形状为右端孔径小，左端孔径大，即满足：r1＜…＜ri-1＜ri＜ri+1＜…＜rn，则定为“右锥形”；

如果内孔形状为左端孔径小，右端孔径大，即满足：r1＞…＞ri-1＞ri＞ri+1＞…＞rn，则定为“左锥形”；

s5、根据内孔形状确定砂轮运动轨迹：

若内孔呈“腰鼓形”，将孔径最大截面右侧第一个进入尺寸公差的截面对应的孔径和z向坐标记为db、zb，左侧第一个未进入尺寸公差的截面对应的孔径和z向坐标记为dd、zd，砂轮5运动轨迹由转折点c分为前后两段，前段轨迹由起点点和点的连线组成，后段轨迹由点和终点的连线确定，转折点c为前后两段轨迹的交点，其中，6mm≤δ1≤15mm，0.2td≤σ≤1.5td，td＝es-ei，l为磨削段内孔长度，r为砂轮5圆角半径；

若内孔呈“马鞍形”，将孔径最小截面对应得孔径和z向坐标记为dc、zc，孔径最小截面右侧第一个未进入尺寸公差的截面对应的孔径和z向坐标记为db、zb，左侧第一个进入尺寸公差的截面对应的孔径和z向坐标记为dd、zd，砂轮5运动轨迹由起点点转折点点及终点连线组成；

若内孔呈“右锥形”，将第一个进入尺寸公差的截面对应的孔径和z向坐标记为db、zb，砂轮5运动轨迹由起点点点及终点的连线组成；

若内孔呈“左锥形”，将第一个未进入尺寸公差的截面对应的孔径和z向坐标记为db、zb，砂轮5运动轨迹由起点点及终点的连线组成；

s6、控制机床x轴工作台3和z轴工作台6进给，使砂轮5沿上述轨迹往复磨削一个循环；

s7、控制机床x轴工作台3和z轴工作台6进给，测量被加工孔段n个等距截面处孔径di及其对应的机床z向坐标zi，并将各截面处孔径di写入数控系统r变量进行存储，计算出最小加工余量δ1和最大加工余量δ2；

s8、判断ei-es≤δ1≤0，且0≤δ2≤es-ei是否成立，是，执行步骤s9，否，执行步骤s3；

s9、完成加工。

进一步地，上述步骤s6中，砂轮沿运动轨迹往复磨削循环次数m，根据最大加工余量δ2、磨杆刚度及σ取值确定。

实施例1

s1、测量被加工孔段不同截面处的孔径：将加工孔段划分为n个等距截面，n优选为奇数，控制机床的x轴工作台3和z轴工作台6进给，并测出各截面处的孔径di及对应的机床z向坐标zi，从孔口至孔底处i＝1,2,…,n，将测量结果di依次写入数控系统r变量进行存储，对应r参数为ri，其中i＝1,2,…,n；

s2、计算加工余量：根据内孔圆柱度加工要求，通过基本尺寸d0和公差e(es，ei)要求，确定理论孔径上极限尺寸dmax＝d0+es，和下极限尺寸dmin＝d0+ei，计算最小加工余量δ1＝dmin-max(di)，最大加工余量δ2＝dmax-min(di)，其中max(di)为最大测量孔径，min(di)为最小测量孔径；

s3、判断截面孔径是否进入尺寸公差：若dmax＞di＞dmin成立，则进入尺寸公差，否则未进入尺寸公差；

s4、判断内孔形状：根据测量结果ri，对比r1、r2、…、rn的大小，确定内孔形状；

如果内孔形状为中间孔径大，两端孔径小，即满足：r1＜…＜ri-1＜ri＞ri+1＞…＞rn，则定为“腰鼓形”；

如果内孔形状为中间孔径小，两端孔径大，即满足：r1＞…＞ri-1＞ri＜ri+1＜…＜rn，则定为“马鞍形”；

如果内孔形状为右端孔径小，左端孔径大，即满足：r1＜…＜ri-1＜ri＜ri+1＜…＜rn，则定为“右锥形”；

如果内孔形状为左端孔径小，右端孔径大，即满足：r1＞…＞ri-1＞ri＞ri+1＞…＞rn，则定为“左锥形”；

s5、根据内孔形状确定砂轮运动轨迹：

若内孔呈“腰鼓形”，将孔径最大截面右侧第一个进入尺寸公差的截面对应的孔径和z向坐标记为db、zb，左侧第一个未进入尺寸公差的截面对应的孔径和z向坐标记为dd、zd，砂轮5运动轨迹由转折点c分为前后两段，前段轨迹由起点点和点的连线组成，后段轨迹由点和终点的连线确定，转折点c为前后两段轨迹的交点，其中，δ1＝10mm，σ＝td，td＝es-ei，l为磨削段内孔长度，r为砂轮5圆角半径；

若内孔呈“马鞍形”，将孔径最小截面对应得孔径和z向坐标记为dc、zc，孔径最小截面右侧第一个未进入尺寸公差的截面对应的孔径和z向坐标记为db、zb，左侧第一个进入尺寸公差的截面对应的孔径和z向坐标记为dd、zd，砂轮5运动轨迹由起点点转折点点及终点连线组成；

若内孔呈“右锥形”，将第一个进入尺寸公差的截面对应的孔径和z向坐标记为db、zb，砂轮5运动轨迹由起点点点及终点的连线组成；

若内孔呈“左锥形”，将第一个未进入尺寸公差的截面对应的孔径和z向坐标记为db、zb，砂轮5运动轨迹由起点点及终点的连线组成；

s6、控制机床x轴工作台3和z轴工作台6进给，使砂轮5沿上述轨迹往复磨削m个循环，其中，m根据最大加工余量δ2、磨杆刚度及σ取值确定；

s7、控制机床x轴工作台3和z轴工作台6进给，测量被加工孔段n个等距截面处孔径di及其对应的机床z向坐标zi，并将测量结果写入数控系统r变量进行存储，计算出最小加工余量δ1和最大加工余量δ2；

s8、判断ei-es≤δ1≤0，且0≤δ2≤es-ei是否成立，是，执行步骤s9，否，执行步骤s3；

s9、完成加工。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。