鈦合金相機(jī)支架高精度同軸孔的精密加工

1序言相機(jī)支架是衛(wèi)星相機(jī)拍攝部分中一個(gè)非常重要的零件，主要用于精密安裝衛(wèi)星相機(jī)的鏡頭及使相機(jī)做360°旋轉(zhuǎn)。受使用條件和環(huán)境的制約，要求零件在滿(mǎn)足要求的情況下，結(jié)構(gòu)輕量化，具有高的強(qiáng)度。零件材料為鈦合金，具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高以及相對(duì)質(zhì)量較輕的特點(diǎn)。零件為薄壁結(jié)構(gòu)件，在裝夾、加工過(guò)程中容易產(chǎn)生變形，嚴(yán)重影響零件精度。2零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)圖1為U形相機(jī)支架。零件外形尺寸為516mm×407mm×227mm，壁厚為4mm，整體為U形結(jié)構(gòu)且大部分為空腔。三個(gè)孔的加工精度分別為要求兩個(gè)φ100mm內(nèi)孔垂直度為0.02mm。a）結(jié)構(gòu)尺寸b）實(shí)物圖1

U形相機(jī)支架3材料性能及切削性能分析鈦合金的切削加工性能較差，主要是由于其導(dǎo)熱性差，致使切削溫度很高，因而降低了刀具壽命。鈦合金切削時(shí)變形系數(shù)小，使得切屑在前刀面上滑動(dòng)摩擦路程增大，加速刀具磨損。鈦合金的彈性模量小，加工時(shí)在徑向力的作用下容易產(chǎn)生彎曲變形而引起振動(dòng)，加大刀具的磨損并影響零件精度。由于鈦合金對(duì)刀具材料的化學(xué)親和性強(qiáng)，在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下，刀具容易產(chǎn)生黏結(jié)、磨損。4工藝流程設(shè)計(jì)加工過(guò)程分為粗加工和精加工兩個(gè)階段。為了消除加工硬化和材料內(nèi)部應(yīng)力，中間安排兩次熱處理，減少零件變形對(duì)加工精度的影響。工藝流程：粗銑加工外形→去應(yīng)力退火→精銑加工外形、內(nèi)腔→人工時(shí)效加冷熱循環(huán)→鏜加工所有內(nèi)孔。5加工難點(diǎn)分析經(jīng)分析，鈦合金相機(jī)支架的加工難點(diǎn)如下。1）零件外形尺寸較大，不易切削加工。2）相機(jī)支架為典型薄壁類(lèi)零件，在裝夾和加工過(guò)程中易發(fā)生變形。3）兩同軸孔跨度達(dá)到516mm，同軸度要求0.01mm，內(nèi)孔精度較高，不易保證精度要求。4）最大的內(nèi)孔公差等級(jí)達(dá)到IT4級(jí)，深度80mm，且與φ100mm內(nèi)孔軸線垂直度為0.02mm，尺寸精度不易保證。6采取的措施針對(duì)加工難點(diǎn)采取如下措施。1）為滿(mǎn)足加工精度要求，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用T4163坐標(biāo)鏜床進(jìn)行加工，同時(shí)利用轉(zhuǎn)臺(tái)在一次裝夾過(guò)程中完成所有孔的加工，減少因多次裝夾產(chǎn)生的誤差。U形相機(jī)支架裝夾方式如圖2所示。圖2

U形相機(jī)支架裝夾方式2）內(nèi)孔尺寸精度的保證措施。在控制內(nèi)孔尺寸精度時(shí)，為保證零件的圓度和尺寸穩(wěn)定性，選用動(dòng)平衡鏜頭和金剛石刀片進(jìn)行加工，兩基準(zhǔn)面采用在鏜床上單刃小切削深度0.05mm形式精加工完成，最大程度保證了基準(zhǔn)面的平面度，經(jīng)檢測(cè)平面度為0.005mm，基本達(dá)到機(jī)床精度的上限。利用機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)的翻轉(zhuǎn)精度，外加輔助找正方法，保證了內(nèi)孔與基準(zhǔn)面的垂直度0.02mm。同時(shí)，在精鏜內(nèi)孔時(shí)，所有內(nèi)孔留0.4mm余量，采用多次等余量去除加工余量的方法，觀察尺寸變化量，調(diào)整去除量來(lái)保證孔徑精度和內(nèi)孔表面粗糙度要求。3）控制零件內(nèi)應(yīng)力變形、裝夾變形和加工變形，主要措施有：①控制內(nèi)應(yīng)力變形。零件分粗、精加工去應(yīng)力退火、人工時(shí)效和高低溫冷熱循環(huán)，盡量減少內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。②控制裝夾變形。U形相機(jī)支架裝夾變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)措施如圖3所示?？刂茒A緊力的大小，采用百分表多點(diǎn)打表，用三點(diǎn)小力矩壓緊的方法將百分表與壓緊點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，采用多次循環(huán)逐步壓緊的方法，保證在自由狀態(tài)下，每個(gè)裝夾點(diǎn)百分表x軸、y軸數(shù)值保持不變，盡量減小裝夾變形，同時(shí)保證受力均勻、裝夾可靠。③采用以冷卻為主的水溶性乳化液進(jìn)行降溫，同時(shí)控制室內(nèi)溫度，保證室溫（20±2）℃，從而控制加工熱變形；通過(guò)選擇合理的刀具材料、角度以及切削參數(shù)，盡量減小加工中的切削力，從而減小加工中產(chǎn)生的變形。圖3

U形相機(jī)支架裝夾變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)措施

4）保證同軸度要求。在轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面上固定一個(gè)基準(zhǔn)塊，相當(dāng)于增加了一個(gè)輔助找正基準(zhǔn)。加工好一個(gè)內(nèi)孔后，旋轉(zhuǎn)180°加工另一個(gè)內(nèi)孔，旋轉(zhuǎn)角度都以基準(zhǔn)塊用千分表找正，最大限度地消除轉(zhuǎn)臺(tái)在翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)時(shí)的角度誤差，再用加長(zhǎng)桿配以千分表找正已經(jīng)加工好的內(nèi)孔，確保零件的同軸度要求。

5）控制加工中的刀具振動(dòng)。①控制強(qiáng)迫振動(dòng)措施：遠(yuǎn)離振動(dòng)源，避免與其他機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)以及機(jī)床之間形成共振現(xiàn)象。②控制自激振動(dòng)措施：就是要解決加工過(guò)程中工件剛性、刀具剛性及切削力的匹配程度。為保證零件最終的幾何精度，確保將裝夾變形對(duì)零件的影響降到最低，在不提高工件剛性的前提下，應(yīng)選擇相匹配的切削刀具、切削參數(shù)和刀具角度，即減小切削深度、降低切削速度、選擇合理的進(jìn)給量以及增加刀具的剛性。7產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)U形相機(jī)支架加工完成后，采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果全部符合圖樣要求。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x關(guān)鍵數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表