CN102152434A - 石蜡填充弱刚性零件的加工工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石蜡填充弱刚性零件的加工工艺及装置，包括石蜡融化、分层浇筑等步骤，石蜡在石蜡浇注装置中靠其下面的水浴加热装置融化，融化后的石蜡通过球阀控制进行分层浇筑。本发明能提高弱刚度件加工刚度，改善加工效果的作用，具有操作方便、结构简单、可回收利用的特点。

Description

石蜡填充弱刚性零件的加工工艺及装置

技术领域

本发明涉及一种零件加工，特别涉及石蜡填充弱刚性零件的加工工艺及装置。

背景技术

在航空钛合金整体框、梁及大型整体壁板制造过程中，由于零件结构形状普遍比较复杂，外形协调要求高，金属去除量大，相对刚度较低，加工工艺性差，在切削力、切削振动、切削热等多种因素的影响下，导致钛合金薄壁件加工中容易出现让刀、变形、振动等问题，特别是钛合金薄壁结构件这一现象更为明显，加工质量难以控制。目前，在实际加工生产中，只能够通过降低工艺参数进行保守加工，即使如此，仍不能完全解决问题，最终需要钳工进行打磨后处理。这样大大的降低了现场的加工效率，浪费大量的人力、物力和和财力。贾广杰(薄壁壳体石蜡填充高速加工法.贾广杰.新技术新工艺NEW TECHNOLOGY & NEWPROCESS 2009年第03期)研究的薄壁零件石蜡填充技术，改变了零件的固有振动频率，但该技术的效果有待进一步提高，目前，我国尚没有钛合金框类弱刚度件的石蜡填充工艺的成套***。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题而提供一种石蜡填充弱刚性零件的加工工艺及装置，能更好地提高工件刚度同时实现吸振减振，满足稳定高效切削要求。

本发明通过如下技术方案实现：

一种石蜡填充弱刚性零件的加工工艺，包括步骤如下：

(1)称取所需固体石蜡量；

(2)将石蜡加热融化；

(3)分层浇注；

(4)打磨石蜡表面以满足工件要求。

所述的工件优选主要针对航空制造业的钛合金框类弱刚度零件，同时也适用于其他材料的弱刚性类零件。

上述石蜡的量为工件内框的总有效容积与石蜡密度的乘积。

所述的石蜡的加热温度为控制在70℃-80℃，优选75℃，既能保证石蜡快速融化，也能缩短石蜡冷凝时间。

所述的分层浇注优选：在工件上铺纱布用石蜡一次浇注工件，室温下凝固时间不低于20min(优选20min-35min)，再铺上一层纱布用石蜡二次浇注，冷却凝固，两次凝固总时间不低于40min。

所述的一次浇注和二次浇注，一次浇注在整个浇注过程的中前期，即浇注量为工件内框有效容积的1/2-3/4体积时，浇注速度控制在0.4-0.6m/s，二次浇注在整个浇注过程的后期，即浇注量为工件内框有效容积的后1/4-1/2体积时，浇注速度减速至0.2-0.3m/s；一、二次浇筑总量等于或略小于工件内框的有效容积。

工艺流程优选：原料准备-石蜡融化-一次浇注-二次浇注-打磨-检测-装夹-加工完毕石蜡回收。必须严格按照技术要求，主要包括石蜡与工件界面结合牢固不能松动、石蜡填充高度不能高于工件表面、石蜡凝固总时间不能低于40min等。

一种石蜡填充弱刚性零件的加工装置，包括石蜡浇注装置和其下面的水浴加热装置，所述的石蜡浇注装置包括盛放石蜡的壳体，壳体顶部设石蜡盖，壳体下部近底部设有内接头，内接头连接壳体外的外接头，外接头通过球阀与流出口相连。

所述的水浴加热装置包括封闭的水箱体，水箱体内设有加热器，水箱体上设水盖和出水口。

所述的水箱体上设压力表和安全阀。

所述的石蜡盖上设摇柄。

本发明提供了一种应用于航空弱刚度件的加工工艺及装置，能简单、有效、实用地提高弱刚度件加工刚度，振动幅值最大值减小减幅约为46％～69％，表面粗糙度值减幅约为6％～25％，改善加工效果，具有操作方便、结构简单、可回收利用的特点。且石蜡成本较低，能够有效的提高工件的加工效率和质量，减少机床操作工人和钳工的工作时间和精力，降低加工成本，并且安全、可靠。采用分层浇注的方式，可以有效的减少冷却时间，提高冷凝效果，增加石蜡与工件结合强度。

附图说明

图1是石蜡填充工艺***示意图；

图2是石蜡填充弱刚性零件的加工装置主视图；

图3是石蜡填充弱刚性零件的加工装置右示图；

图4是图2的A-A向剖视图；

图5是钛合金框类弱刚度件毛坯；

图6是石蜡填充方式，其中1、6、8为填充石蜡的，其他为未填充的；

图7是7-a-2不同加工阶段加工过程振动时时间历程；

图8是3-c-2不同加工阶段加工过程振动时时间历程；

图9是3-c-2和7-a-2振动频谱对比；

图10是2-b-2和2-d-2振动频谱对比；

图11是3-b-2和9-b-2振动频谱对比；

图12是7-a表面粗糙度三维图；

图13是3-c表面粗糙度三维图；

图14是石蜡辅助加固实验表面粗糙度对比；

图15是石蜡填充钛合金双面框类工件图；

图16是A框第一层腹板振动时间历程；

图17是B框第一层腹板振动时间历程；

图18是A框第一层位置3振动信号分析；

图19是B框第一层位置3振动信号分析；

图20是A框第二层腹板振动时间历程；

图21是B框第二层腹板振动时间历程；

图22是A框第三层腹板振动时间历程；

图23是B框第三层腹板振动时间历程；

图24是A框第四层腹板振动时间历程；

图25是B框第四层腹板振动时间历程；

图26是A框测量位置；

图27是B框测量位置；

图28是A框和B框腹板厚度对比；

图29是不同方式浇注石蜡对比，(a)分层浇注加纱布，(b)分层浇注不加纱布，(c)一次性浇注不加纱布，一次性浇注加纱布；

其中：1、石蜡填充弱刚性零件的加工装置，2、夹持装置，3、工件***，4、填充介质(石蜡)，5、纱布，6、出水口，7、排气阀，8、压力表，9、水盖，10、安全阀，11、石蜡盖，12、壳体，13、水箱体，14、密封圈，15、密封垫圈，16、螺母，17、外接头，18、内接头，19、球阀，20、流出口，21、电阻丝，22、电线，23、摇柄。

具体实施方式

一种石蜡填充弱刚性零件的加工装置，包括石蜡浇注装置和其下面的水浴加热装置，所述的石蜡浇注装置包括盛放石蜡的壳体12，壳体12顶部设石蜡盖11，壳体12下部近底部设有内接头18，内接头18连接壳体外的外接头17，外接头17通过球阀19与流出口20相连。

所述的水浴加热装置包括封闭的水箱体13，水箱体13内设有加热器，水箱体13上设水盖9和出水口6。

所述的水箱体13上设压力表8和安全阀10。

所述的石蜡盖11上设摇柄23。

实施例1

石蜡填充弱刚性零件的加工工艺：

(1)原料准备

通过计算工件内框体积，进而计算所需固体石蜡量，进行原材料的准备。但是必须严格控制装料容量。装料容量不足则不能充分填充框内腹腔，起不到良好的填充效果；反之，容量过大，浇注过量后会溢出框外。石蜡填充装置装料容量可用下列经验公式计算：

Q＝V·ρ

Q——装料容量，Kg；

V——工件内框的总有效容积，L；

ρ——石蜡的密度，g/cm³。

(2)石蜡融化

操作夹持装置2使石蜡融化填充装置1置于指定位置，即工件内框上方。打开石蜡盖11，将准备好的石蜡原料放入壳体12内；打开水盖9，将水倒进水箱体13内，后拧紧水盖，将与电阻丝21相连电线22通电，压力表8的作用是用来测量和指示水箱体13内压力的大小，安全阀10是当水箱体内压力超过规定值时，能自动排出蒸汽，防止压力继续升高，以保证该装置的安全。石蜡融化填充装置使用完毕后，打开出水口6，将水箱体内的水排出，避免水长期留在箱体内，产生水垢等杂质。在电阻丝21通电加热的过程中，手动摇动摇柄23，对石蜡进行搅拌，使石蜡均匀融化。

石蜡的加热温度为控制在70℃，既能保证石蜡快速融化，也能缩短石蜡冷凝时间，使冷却时间在可以接受的范围内。

(3)一次浇注

将所需填充的工件***3置于机床工作台上，保持工件水平放置。在工件内框放置一层纱布5，打开球阀19，使液体石蜡从流水口20流出。进行石蜡第一浇注，但必须注意浇注位置，浇注速度和浇注量。浇注位置，必须保证处在工件内框上方，最好是出于中心位置，这样便于浇注的均匀性；浇注量为工件内框有效容积的3/4体积，浇注速度控制在0.5m/s。浇注完毕后，常温下放置20min，使石蜡自然凝固到一定的程度，或者使用辅助手段如冷风机等措施来提高冷却速度，减少冷凝时间。

(4)二次浇注

在一次浇注的基础上，铺层纱布5，进行石蜡的二次浇注，浇注量为工件内框剩余部分，即浇注量为工件内框有效容积的后1/4体积，浇注速度减速至0.25m/s，将框填满。在二次浇注时必须严格控制浇注速度，低于或等于0.25m/s，尤其在浇注终了阶段，更要保持速度低速慢行，这样便于对于浇注量有一个精确的控制，同时防止石蜡液体的溅出或过量。浇注完毕后，同样采用常温放置自然冷凝，时间为20min，或者强制冷却(如采用冷风机等)来凝固石蜡，。浇注完毕后关闭球阀19，将石蜡融化填充装置移开，远离机床工作台。

(5)打磨

石蜡冷却后，对浇注时洒落或溅出在周围的石蜡进行去除，同时对石蜡成型表面进行观察是否达到要求，若不满足要求，如石蜡表面高度比工件表面高度高，则要进行一定的打磨，去除多余的石蜡部分。

(6)检测

需要检验人员对石蜡浇注的最终结果进行检测，必须符合要求，到达以下标准：

a、对石蜡硬度进行检查，观测石蜡是否充分凝固。

b、工件表面不能残留石蜡(去除石蜡残留要注意不能损伤工件表面)

c、石蜡成型表面不能高于工件表面高度

(7)装夹

将石蜡填充后的工件装夹，定位，进行机械加工。

(8)石蜡回收

工件加工完毕后对石蜡进行回收处理，石蜡回收时注意不能损伤工件加工表面，对回收的石蜡进行处理，去除掺杂进石蜡的切屑等杂质，以实现石蜡的可持续再利用。

实施例2

石蜡填充弱刚性零件的加工工艺：

(1)原料准备

通过计算工件内框体积，进而计算所需固体石蜡量，进行原材料的准备。但是必须严格控制装料容量。装料容量不足则不能充分填充框内腹腔，起不到良好的填充效果；反之，容量过大，浇注过量后会溢出框外。石蜡填充装置装料容量可用下列经验公式计算：

Q＝V·ρ

Q——装料容量，Kg；

V——工件内框的总有效容积，L；

ρ——石蜡的密度，g/cm³。

(2)石蜡融化

操作夹持装置2使石蜡融化填充装置1置于指定位置，即工件内框上方。打开石蜡盖11，将准备好的石蜡原料放入壳体12内；打开水盖9，将水倒进水箱体13内，后拧紧水盖，将与电阻丝21相连电线22通电，压力表8的作用是用来测量和指示水箱体13内压力的大小，安全阀10是当水箱体内压力超过规定值时，能自动排出蒸汽，防止压力继续升高，以保证该装置的安全。石蜡融化填充装置使用完毕后，打开出水口6，将水箱体内的水排出，避免水长期留在箱体内，产生水垢等杂质。在电阻丝21通电加热的过程中，手动摇动摇柄23，对石蜡进行搅拌，使石蜡均匀融化。

石蜡的加热温度为控制在80℃，既能保证石蜡快速融化，也能缩短石蜡冷凝时间，使冷却时间在可以接受的范围内。

(3)一次浇注

将所需填充的工件***3置于机床工作台上，保持工件水平放置。在工件内框放置一层纱布5，打开球阀19，使液体石蜡从流水口20流出。进行石蜡第一浇注，但必须注意浇注位置，浇注速度和浇注量。浇注位置，必须保证处在工件内框上方，最好是出于中心位置，这样便于浇注的均匀性；浇注量为工件内框有效容积的1/2体积时，浇注速度控制在0.5m/s。浇注完毕后，常温下放置20min，使石蜡自然凝固到一定的程度，或者使用辅助手段如冷风机等措施来提高冷却速度，减少冷凝时间。

(4)二次浇注

在一次浇注的基础上，铺层纱布5，对内框剩余部分进行石蜡的二次浇注，浇注量为工件内框有效容积的后1/2体积，浇注速度减速至0.20m/s，将框填满。在二次浇注时必须严格控制浇注速度，尤其在浇注终了阶段，更要保持速度低速慢行，这样便于对于浇注量有一个精确的控制，同时防止石蜡液体的溅出或过量。浇注完毕后，同样采用常温放置自然冷凝，时间为20min，或者强制冷却(如采用冷风机等)来凝固石蜡，。浇注完毕后关闭球阀19，将石蜡融化填充装置移开，远离机床工作台。

(5)打磨

石蜡冷却后，对浇注时洒落或溅出在周围的石蜡进行去除，同时对石蜡成型表面进行观察是否达到要求，若不满足要求，如石蜡表面高度比工件表面高度高，则要进行一定的打磨，去除多余的石蜡部分。

(6)检测

需要检验人员对石蜡浇注的最终结果进行检测，必须符合要求，到达以下标准：

a、对石蜡硬度进行检查，观测石蜡是否充分凝固。

b、工件表面不能残留石蜡(去除石蜡残留要注意不能损伤工件表面)

c、石蜡成型表面不能高于工件表面高度

(7)装夹

将石蜡填充后的工件装夹，定位，进行机械加工。

(8)石蜡回收

工件加工完毕后对石蜡进行回收处理，石蜡回收时注意不能损伤工件加工表面，对回收的石蜡进行处理，去除掺杂进石蜡的切屑等杂质，以实现石蜡的可持续再利用。

效果试验：

对图5中钛合金框类弱刚度件部分小框进行石蜡填充，后对侧壁进行加工，同时在相同的工况下对不填充石蜡的小框进行侧壁加工，图6为石蜡填充方式，后对有无石蜡填充两种情况下加工过程中的振动情况和加工效果进行对比，表1为石蜡辅助加固实验走刀策略。

表1  石蜡填充侧壁加工实验走刀策略

将采集到的振动加速度信号进行分析，图7和图8分别为7-a-2(7为小框名称，a为框中侧壁名称，2为走刀次数为第二刀时；x-m-y，x为框名，m为侧壁名称，y为走刀次数，下述意思相同)和3-c-2加工过程振动时时间历程，7-a-2加工过程中振动幅值最大为16.06，而3-c-2加工过程中幅值的最大值为5.12，仅为7-a-2的1/3左右；且7-a-2整个加工过程阶段切削不平稳，变化波动较大，在前期振动信号较小，切削状态比较稳定，信号能量变化不大，但在后期振动信号非常剧烈，消耗能量增加，而3-c-2整个加工过程阶段非常平稳，在加工后期振动略有增长，但增长趋势比较缓慢，且波动范围小。

通过对上述几组切削对比实验振动频谱分析，见图9、10和图11，发现有无石蜡填充对加工过程的振动影响是巨大的，填充石蜡可以有效的降低整个加工过程中的振动幅值。表2为每组实验对应的频谱幅值最大值，在不采用石蜡填充方式下，侧壁本身刚度较差，在钛合金薄壁件的加工过程中，振动情况是非常剧烈的，幅值普遍较大；而当填充石蜡时，可以有效的增加薄壁件的刚度，提高其加工过程中的稳定性，振动幅值最大值减小为无石蜡情况的31％～54％，减幅约为46％～69％，能够有效的抑制和减少剧烈振动的产生。

表2  实验振动频谱幅值

通过对7-a和3-c加工表面形貌进行对比分析，见图12和13，发现没有石蜡辅助加固的情况下，7-a三维图中已加工表面的刀痕非常清晰，粗糙度的各项指标均较高，采用石蜡辅助加固的方式，走刀痕迹变小，粗糙度的各项指标也随着明显降低。由此，利用石蜡辅助加固可以有效的减小已加工面的走刀痕迹，进而提高薄壁件加工的表面质量。图14中，对10组已加工侧壁的表面粗糙度的测量结果进行对比，采用石蜡辅助加固时的表面粗糙度值明显低于不加石蜡的情况，减幅约为6％～25％不等，且加工表面更优。采用石蜡辅助加固方式，可以提高钛合金薄壁件的加工刚度，提高加工过程中的稳定性，减少加工过程中的振动和能量消耗，从而改善加工状况，使加工过程变得更平稳，进而改善已加工表面质量，提高加工精度。

针对航空钛合金弱刚度双面框件，图15，对一面进行石蜡填充，后对反面腹板进行加工；同时与不填充石蜡情况下的腹板加工情况进行对比。

表3  各框每层切削厚度

对A和B框第一层加速度信号进行分析，见图16和图17，为了更好的对数据进行分析，在图16和图17的信号中选择三个特定区域进行移动平均分析，为了使位置1选择在刀具下刀的过程中，位置2选择走刀过程中，位置3选择在走刀的后期，图18和图19，且各取样区域均为振动较为剧烈的部位。

在A框第一层加工过程中，下刀时腹板振动信号较为平稳，且振动幅值比较小，主要是下刀过程中进给速度较小，仅为vf＝41mm/min；而在走刀过程中，腹板的振动信号较大，波动较为剧烈，因为此时进给速度vf＝81mm/min。在B框第一层加工过程中，其振动信号规律与A框类似，在下刀过程中，填充石蜡的B框信号略小于未填充石蜡的A框信号，因为石蜡的存在，进而使腹板的刚度提高，但工件腹板最初刚度较大，石蜡填充效果不是很明显，故下刀信号相差不大；在走刀的过程中，此时B框信号约为A框的一半，由于此时切削厚度为3.5mm，进给速度也提高到vf＝81mm/min，；在走刀的后期，对比图18和图19，此时差距较为明显，A框振动信号波动厉害，但采用石蜡填充的B框，振动信号仍然较为平稳，幅值相对于位置2仅是略微有所增加。在整体时域图16中，可以看出，位置3的振动信号波动非常剧烈，是其余各个波峰的4倍，主要是随着材料的去除，工件的整体刚度变小，而切削厚度和切削速度均没有改变，导致工件加工状态不好，刀具经过单向加速度传感器的正上方时，振动最为剧烈，而B框由于采用石蜡辅助填充，材料去除对刚度的改变影响较小，故加工过程较为平稳。

对后三层加工振动信号进行分析，图20和图25，对AB两框第二层腹板加工过程中的振动信号进行分析，下刀过程进给速度小，故振动信号小，且比较平稳。在走刀过程中，进给速度相对较大，且切削深度为2mm，振动较为剧烈，情况与第一层加工过程类似，但A框的振动信号远大于加工第一层时的振动信号。后两层在下刀过程中，因为腹板厚度较小，刚度弱，对外界的作用比较“敏感”，即使进给速度非常小，下落深度仅为0.5和0.3mm，但腹板仍能非常清晰的反映出，故第后两层下刀过程中A框的振动信号较大。而在走刀过程中，因为切削深度较小，远远低于前两层，这就导致A框走刀中信号反而小于第一和第二层。对于B框，在走刀过程反而小于下刀过程，原因是在下刀过程中在单向加速度正上方，直接受力，故振动较为敏感，而走刀时，因为石蜡的存在，工件的刚度相对较大，0.5和0.3mm的切深对工件的影响较小，故振动反而小，但是对每一层振动信号对比分析，发现填充石蜡后，加工过程中振动信号较为平稳，远远低于不填充石蜡的情况，且腹板越薄，石蜡填充的效果越明显，加工过程越稳定。

对加工后的工件腹板厚度进行测量，腹板宽度为57mm，故测量时取10个点位进行测量，每两个点位之间距离为6mm，具体测量位置如下图26和27所示，表4为测量结果，图28中可以看到，采用石蜡填充的方式，可以有效的提高弱刚性零件加工过程中的稳定性，改善加工质量，减少加工误差。

表4  腹板厚度测量结果(mm)

采用石蜡填充的方式，可以有效的提高钛合金框类弱刚度件的工件刚度，在加工侧壁和腹板的情况下，均可以改善加工情况，有利于加工过程的顺利进行，减少加工过程中的振动现象，提高加工质量。

对分层浇注石蜡以及铺纱网方式下石蜡的填充方案进行研究，图29，分别采取4中浇注方法：不加纱布一次全部浇注完成，加纱布一次全部浇注完成，分层浇注每层均加纱布，不加纱布分层浇注，后对浇注后的结果，包括凝固时间、石蜡表面硬度和石蜡与工件表面结合强度进行分析。在室温18℃下，浇注40min后对浇注表面硬度进行分析，一次浇注此时石蜡较软，还没有完全凝固；而分层浇注后的石蜡已完全凝固，表面很硬。对凝固后的石蜡表面进行观察，一次浇注后的石蜡表面呈现“凹”状，与工件侧壁结合面高，而中心位置向内凹陷，较低；分层浇注后石蜡表面明显较平，侧壁结合处与中心位置高度差距不是很大，铺纱布的结果更为明显，石蜡表面高度更均匀。通过对浇注完毕后的工件进行剧烈摇晃，观察石蜡与工件结合面情况，发现不加纱布，石蜡与工件结合不紧，易掉落，而铺纱布，石蜡与工件结合较好，不易掉落，且采用分层浇注，铺纱布层数越多，效果越好，结合越紧密。故采用分层浇注的方式，可以有效的减少冷却时间，提高冷凝效果，增加石蜡与工件结合强度。

Claims (9)

1.一种石蜡填充弱刚性零件的加工工艺，其特征是，包括步骤如下：

(1)称取所需固体石蜡量；

(2)将石蜡加热融化；

(3)用石蜡对工件进行分层浇注；

(4)打磨石蜡表面以满足工件要求。

2.根据权利要求1所述的石蜡填充弱刚性零件的加工工艺，其特征是：所述的分层浇注为在工件上铺纱布用石蜡一次浇注工件，室温下凝固时间不能低于20min，再铺上一层纱布用石蜡二次浇注，冷却凝固，两次浇注冷凝时间不低于40min。

3.根据权利要求2所述的石蜡填充弱刚性零件的加工工艺，其特征是：所述的一次浇注和二次浇注，一次浇注浇注量为工件内框有效容积的1/2-3/4体积时，浇注速度控制在0.4-0.6m/s，二次浇注浇注量为工件内框有效容积的后1/4-1/2体积时，浇注速度减速至0.2-0.3m/s，一、二次浇筑总量必须等于或略小于工件内框的有效容积。

4.根据权利要求1所述的石蜡填充弱刚性零件的加工工艺，其特征是：所述的石蜡的量为工件内框的总有效容积与石蜡密度的乘积。

5.根据权利要求1所述的石蜡填充弱刚性零件的加工工艺，其特征是：所述的石蜡的加热融化温度控制在70℃-80℃。

6.一种石蜡填充弱刚性零件的加工装置，其特征是，包括石蜡浇注装置和其下面的水浴加热装置，所述的石蜡浇注装置包括盛放石蜡的壳体，壳体顶部设石蜡盖，壳体下部近底部设有内接头，内接头连接壳体外的外接头，外接头通过球阀与流出口相连。

7.根据权利要求6所述的石蜡填充弱刚性零件的加工装置，其特征是，所述的水浴加热装置包括封闭的水箱体，水箱体内设有加热器，水箱体上设水盖和出水口。

8.根据权利要求7所述的石蜡填充弱刚性零件的加工装置，其特征是，所述的水箱体上设压力表和安全阀。

9.根据权利要求6所述的石蜡填充弱刚性零件的加工装置，其特征是，所述的石蜡盖上设摇柄。

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