孔位置度精確補償加工技術(shù)

袁祥祥， 姚輝， 李昂， 梁津鶴， 謝輝

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津300462）

0 引 言

圖1 環(huán)類工裝簡圖

1 加工工藝分析

1.1 工件狀態(tài)

如圖1所示，該工件外徑尺寸達φ5880 mm，毛坯材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-A的焊接件，外圓面和上下底面均為車削加工完成。由于工件尺寸跨度大，剛度較差，在加工過程中容易變形，且孔的位置度要求較高。這對孔的位置度控制造成很大困難。此外，在實際加工過程中，影響孔位置度的因素有很多，如工件變形量、機床加工位置精度、刀具剛度不足、溫度變化等，都會影響加工孔的位置度。從而在對此類大型工件加工時，一般很難達到圖樣設(shè)計的位置度要求。

1.2 加工方案

已加工孔數(shù)量較多，為完成位置度誤差的快速判定和補償加工任務(wù)，先按最大實體要求對超差孔位置度公差進行補償，在滿足裝配要求的條件下，盡可能減少孔的加工數(shù)量。此外，針對工件尺寸大、剛度較差和孔位置度要求高等問題，擬采用位置度精確補償技術(shù)進行加工，從而做到對孔位置度的精確控制，以提高加工精度。加工工藝流程如圖2所示。

圖2 加工工藝流程

2 加工過程

2.1 位置度測量

在工件裝夾找正后，對已加工孔位置度誤差進行在線檢測。目前用于大尺寸幾何量測量儀器中，激光跟蹤儀具有測量范圍大、精度高、便于在線檢測和良好的動態(tài)測量特性等優(yōu)點，在重大裝備精密測量、大型零部件安裝定位及機器人校準等方面具有顯著的優(yōu)勢[1]。現(xiàn)使用Leica AT901-B激光跟蹤儀對工件圓周分布孔位置度進行在線測量，以A基準圓心作為測量坐標系原點，以指向Ⅰ象限孔圓心方向為X正方向，指向Ⅱ象限孔圓心方向為Y正方向，測量結(jié)果如表1所示。激光跟蹤儀測量圖如圖3所示。

表1 質(zhì)心環(huán)圓周分布孔位置度測量結(jié)果

圖3 激光跟蹤儀測量坐標系

由表1可知，孔位置度誤差不合格（大于φ0.15 mm）的比例高達48.3%，有86個孔的位置度超差。如果對每個超差孔返修，將耗費較大的人力、物力。

2.2 補償位置度公差

式中：D1為孔實際尺寸，mm；D0為孔最大實體尺寸，mm；f0為位置度公差給定值，f0=0.15 mm。

以4個象限孔為例，對其進行位置度補償計算。象限孔位置度測量結(jié)果如表2所示。

表2 象限孔位置度測量結(jié)果 mm

表2中第Ⅰ、Ⅱ象限孔的f值合格，第Ⅲ、Ⅳ象限孔的f值不合格。根據(jù)式（1）計算第Ⅲ、Ⅳ象限孔的位置度補償公差值，并判斷其位置度是否合格。位置度補償公差值計算結(jié)果如表3所示。

表3 象限孔位置度補償公差值計算與判定結(jié)果 mm

由表3可知，第Ⅲ象限孔的位置度公差，按最大實體要求進行補償計算后，重新判定為合格。而第Ⅳ象限孔的位置度誤差依舊不合格。

按最大實體要求對86個超差孔的位置度補償計算后，有82個孔位置度誤差符合裝配要求，判定為合格，節(jié)省了95%的加工時間。依然有4個孔的位置度超差。

2.3 位置度補償加工

2.3.1 補償加工方案制定

表4 位置度補償計算后不合格孔數(shù)據(jù)

圖4 嵌套結(jié)構(gòu)簡圖

2.3.2 位置度補償加工技術(shù)

裝配孔和象限孔位置度補償加工的關(guān)鍵在于確定其理論位置，并做到精準加工。根據(jù)圖5可知，表4中超差孔是在測量坐標系下得到的理論與實際坐標值，不可用于機床加工。需將其測量坐標轉(zhuǎn)換成機床坐標方能加工。由于機床加工行程越長，其位置度誤差越大。為減少機床加工時的位置度誤差，將孔的實際圓心設(shè)為加工坐標系原點，坐標軸方向與機床坐標系相同。利用fx、fy，加工坐標系與測量坐標系的角度偏差θ，進行位置度補償加工。加工坐標系與測量坐標系相對角度偏差如圖5所示。

根據(jù)表4中孔的理論坐標和相應(yīng)實際坐標值，計算得到差值fx、fy。由差值fx、fy計算理論孔圓心與原點連線在測量坐標系下的角度值σ，計算公式如下：

圖5 孔位置度補償加工示意圖

機床打表測量加工坐標系與測量坐標系的角度偏差θ=90°38′。根據(jù)σ、θ計算理論孔圓心在加工坐標系下的坐標值x加、y加，計算公式如下：

此外，由于該過程計算較為繁瑣，可利用Office Excel中的IF條件語句及運算功能進行輔助計算，輸入fx、fy和θ，可直接得到x加、y加值。這里只給出式（2）在Office Excel中的運算過程：

σ=IF(fy＞0,Acos(fx/SQRT((fx)^2+(fy)^2)),2*PI()-ACOS(fx/SQRT((fx)^2+(fy)^2)))

2.4 檢測結(jié)果與分析

對孔位置度補償加工后，利用Leica AT901-B激光跟蹤儀進行最終檢測，結(jié)果顯示所有孔的位置度誤差均符合圖樣設(shè)計要求。表4中超差孔x加、y加坐標的具體計算值及判定結(jié)果如表5所示。

孔位置度補償加工技術(shù)，通過補償fx、fy，可精確控制位置度誤差，其主要適用于單點位置度補償加工。如果工件上某一特征位置度出現(xiàn)整體偏移，可在找出偏移量后，通過調(diào)節(jié)加工坐標系與工件模型的相對位置（偏移量）進行加工。

表5 位置度補償計算及判定結(jié)果

3 結(jié) 語

利用激光跟蹤儀對工件進行在線檢測，得到孔位置度誤差，按最大實體要求補償超差孔位置度公差，減少超差孔數(shù)量，降低企業(yè)加工成本。運用位置度補償技術(shù)，對孔的位置度進行精確補償加工，實現(xiàn)對孔位置度誤差的快速、精確控制。加工同類產(chǎn)品時，在粗、精工序加工過程中運用該技術(shù)，可有效控制位置精度，提高產(chǎn)品合格率。