CN106425286A - 一种高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法,确定工艺方案:因为工件属于薄壁件,在开始制定工艺路线时就必须考虑控制变形,控制精车时机加应力对工件变形的影响;确定防变形夹具结构:研究确定工件装夹方式,改进夹具装夹方案,精车内外型面、加工大端面孔槽、加工小端面孔槽采用防变形的专用夹具,解决工件加工时引起的变形问题;大端面为整个工件的轴向基准,精度要求高;小端面对大端面有较高的技术条件要求。本发明的优点:解决了高温合金薄壁筒轴变形的技术难题。最终加工出合格工件,突破了高温合金薄壁筒轴变形的技术瓶颈,保证了工件设计要求,可在同类工件中推广使用,为类似工件加工提供了宝贵的经验。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域,特别涉及了一种高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法。
背景技术
在机械加工技术中,特别是在高精度高温合金薄壁筒轴工件的加工制造中,变形问题一直是一大技术难点,严重影响工件的合格率。此类工件在以前从未加工过,是首次接触,没有类似可借鉴的加工工艺。高温合金筒轴工件是重要件,尺寸精度较高,技术条件要求多且极为严格,整个型面壁厚仅1.8-2mm,工件材料为高温合金,属难加工材料,按照以往的加工方式加工,筒轴工件总存在很大的变形,甚至已经严重影响到工件的合格交付,控制筒轴工件变形已经成为一个亟待解决的技术瓶颈,急需研发一种高精度高温合金薄壁筒轴变形的控制方法。
发明内容
本发明的目的是为了控制高精度高温合金薄壁筒轴变形,特提供了一种高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法。
本发明提供了一种高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法,其特征在于:所述的高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法是:
1)确定工艺方案:因为工件属于薄壁件,在开始制定工艺路线时就必须考虑控制变形;
工件材料为高温合金,加工时候切削力大,容易累积较大的机加应力,为了最大限度减小机加应力对工件变形的影响,工艺路线安排了两次消除应力热处理:经过车超声波面、粗车后,工件每边剩余2~3mm余量,工件去除材料多,累积机加应力大,此时进行第一次消除应力热处理,消除前几道工序累积的应力;当半精车后,各边余量严格控制在1mm,再进行一次消除应力热处理,释放工件中所累积的机加应力,控制精车时机加应力对工件变形的影响;
因为工件壁厚1.8-2mm,为保证该尺寸的加工精度,将内外型面在同一工序中加工,减少重复装夹对各尺寸精度的影响;同时由于是一次加工完成内外型面,相关的技术条件也得到了保证;
2)确定防变形夹具结构:研究确定工件装夹方式,改进夹具装夹方案,精车内外型面、加工大端面孔槽、加工小端面孔槽采用防变形的专用夹具,解决工件加工时引起的变形问题;
精车内外型面时一般夹具采用内外倒压板或压盖进行,由于此工件壁厚太薄,刚性差,加工时易产生振纹,工件也易变形,很多精度要求较高尺寸及技术条件无法保证;设计了一套专用车加工型面夹具,带有可拆卸的外圆支撑,一组可拆卸的内支撑,锥面支撑,以减少零件装夹变形;专用夹具有定位部分、夹紧装置、压紧装置,还有支撑装置;夹具有4组压板,4个独立的可拆卸的外圆支撑,一组可拆卸的内支撑,锥面支撑,端面压盖等,主要采用压板压紧,再配合内外圆辅助支撑,以保证装夹质量,减少工件振动,控制工件变形;采用该套夹具加工工件,工件做到充分支撑,变形得到了有效控制;
大端面为整个工件的轴向基准,精度要求高;在加工大端面时,刀具钻削力使工件大端易变形,无法满足大端面高精度要求,夹具,减少工件变形;夹具以大端内端面为支撑,小端内圆为止口,压紧大端端面;支撑座内侧小孔用于钻镗大端面孔工序,防止钻孔时,钻伤夹具,外侧有一处缺口,用于铣大端外圆缺口工序,压盖上有对应的缺口,用于铣大端面槽工序;夹具满足三个工序使用要求;
小端面对大端面有较高的技术条件要求;加工小端面时,由于加工余量大,且既有钻镗加工,又有铣加工,小端面易变形,很难保证与大端面的相对要求;因此需要对小端进行充分支撑,以较少振刀,控制工件变形;该夹具上端支撑面为两个可拆卸的半环型结构,将工件放入夹具内后,再调整支撑面支撑工件小端下端面,并用螺钉将支撑面固定在夹具上;在钻镗小端端面孔和小端内端端面孔时,用特制压板压紧小端端面;在加工小端端面槽、小端外圆花边、小端内端面内侧花边时,用螺钉通过小端端面孔将工件压紧在夹具上,拆掉特制的压板,开始加工;夹具满足五个工序使用要求;
3)优化切削刀具、加工参数;刀具半径过小,切削深度对应也很小,切削效率不高,并且因为材料很硬的原因非常废刀片,刀具半径过大,切削接触面大,切削力也很大,容易引起薄壁件的变形;根据工件状态,结合实际情况,最终适合的刀具;转速高,进给量大,虽然可以提高切削效率,但是在单位时间内切除的材料多,工件热传导不充分,累积的机加应力也大,很容易导致薄壁件变形;切削深度受刀具半径制约,并且切削深度将直接影响工件受到的切削力,因为选用的刀具半径仅为0.4mm,且为了减少切削力对薄壁件的影响,切削深度也不宜过大;在满足加工精度的前提下,选择合适的切削参数;
4)进行试验件试验,摸索加工规律:通过加工试验解决了精车内外型面、加工大小端后对工件产生变形的影响;采用新结构夹具解决了加工振颤的问题;通过加工试验选择刀具的可行性,切削参数的合理性;在加工大端和小端时,因工件壁薄刚性差,按照正常铣加工工件端面有变形,为了进一步控制切削力对工件变形的影响,因此采用多次扩孔加工和分层加工;经检测尺寸和技术条件均符合图纸要求;
5)试验件试验合格后,再正式加工后续工件,采用与试验件同样的工艺路线、装夹方式,加工刀具,切削参数;正式工件加工后,经用三坐标检测检查合格,突破了高温合金薄壁筒轴工件变形的技术瓶颈。
本发明的优点:
本发明所述的高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法,解决了高温合金薄壁筒轴变形的技术难题。薄壁筒轴工件,壁薄,工件各尺寸精度要求高,技术条件要求严,很多技术条件都在0.015~0.025mm之间。中段壁厚为2mm,大端锥面壁厚仅1.8mm,大端均布有XX个ΦXX小孔,小端均布有XX个ΦXX小孔,大小端孔位置度均为0.04mm,小端内端面均布有XX个ΦX小孔,小端外圆和小端内端面内圆对应分布有XX处花边,小端端面有XX处槽。还有动平衡等技术要求,精度要求高,加工很难保证。而且该工件属于薄壁件,整个型面厚度仅1.8-2mm,结构刚性差;工件材料为高温合金,该材料硬度高,可切削性差,无直接可借鉴经验,这些都为保证该工件加工质量带来困难。在实际加工中,制定了合理的加工路线,设计了一套车床夹具,两套同时用于镗床和铣床的夹具以减少工件变形,选择合适的刀具,并优化切削参数,采用低转速小进给加工,最终加工出合格工件,突破了高温合金薄壁筒轴变形的技术瓶颈,保证了工件设计要求,可在同类工件中推广使用,为类似工件加工提供了宝贵的经验,对制造技术水平的提升,具有深远的意义和一定的经济效益。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明:
图1为修复小端基准加工示意图;
图2为精车内外型面加工部分示意图;
图3为加工大端面夹具示意图;
图4为加工小端面夹具示意图;
图5为加工大端面示意图;
图6为加工小端面示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法,其特征在于:所述的高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法是:
1)确定工艺方案:因为工件属于薄壁件,在开始制定工艺路线时就必须考虑控制变形;
工件材料为高温合金,加工时候切削力大,容易累积较大的机加应力,为了最大限度减小机加应力对工件变形的影响,工艺路线安排了两次消除应力热处理:经过车超声波面、粗车后,工件每边剩余2~3mm余量,工件去除材料多,累积机加应力大,此时进行第一次消除应力热处理,消除前几道工序累积的应力;当半精车后,各边余量严格控制在1mm,再进行一次消除应力热处理,释放工件中所累积的机加应力,控制精车时机加应力对工件变形的影响;
因为工件壁厚1.8-2mm,为保证该尺寸的加工精度,将内外型面在同一工序中加工,减少重复装夹对各尺寸精度的影响;同时由于是一次加工完成内外型面,相关的技术条件也得到了保证;
2)确定防变形夹具结构:研究确定工件装夹方式,改进夹具装夹方案,精车内外型面、加工大端面孔槽、加工小端面孔槽采用防变形的专用夹具,解决工件加工时引起的变形问题;
精车内外型面时一般夹具采用内外倒压板或压盖进行,由于此工件壁厚太薄,刚性差,加工时易产生振纹,工件也易变形,很多精度要求较高尺寸及技术条件无法保证;设计了一套专用车加工型面夹具,带有可拆卸的外圆支撑,一组可拆卸的内支撑,锥面支撑,以减少零件装夹变形;专用夹具有定位部分、夹紧装置、压紧装置,还有支撑装置;夹具有4组压板,4个独立的可拆卸的外圆支撑,一组可拆卸的内支撑,锥面支撑,端面压盖等,主要采用压板压紧,再配合内外圆辅助支撑,以保证装夹质量,减少工件振动,控制工件变形;采用该套夹具加工工件,工件做到充分支撑,变形得到了有效控制;
大端面为整个工件的轴向基准,精度要求高;在加工大端面时,刀具钻削力使工件大端易变形,无法满足大端面高精度要求,夹具,减少工件变形;夹具以大端内端面为支撑,小端内圆为止口,压紧大端端面;支撑座内侧小孔用于钻镗大端面孔工序,防止钻孔时,钻伤夹具,外侧有一处缺口,用于铣大端外圆缺口工序,压盖上有对应的缺口,用于铣大端面槽工序;夹具满足三个工序使用要求;
小端面对大端面有较高的技术条件要求;加工小端面时,由于加工余量大,且既有钻镗加工,又有铣加工,小端面易变形,很难保证与大端面的相对要求;因此需要对小端进行充分支撑,以较少振刀,控制工件变形;该夹具上端支撑面为两个可拆卸的半环型结构,将工件放入夹具内后,再调整支撑面支撑工件小端下端面,并用螺钉将支撑面固定在夹具上;在钻镗小端端面孔和小端内端端面孔时,用特制压板压紧小端端面;在加工小端端面槽、小端外圆花边、小端内端面内侧花边时,用螺钉通过小端端面孔将工件压紧在夹具上,拆掉特制的压板,开始加工;夹具满足五个工序使用要求;
3)优化切削刀具、加工参数;刀具半径过小,切削深度对应也很小,切削效率不高,并且因为材料很硬的原因非常废刀片,刀具半径过大,切削接触面大,切削力也很大,容易引起薄壁件的变形;根据工件状态,结合实际情况,最终适合的刀具;转速高,进给量大,虽然可以提高切削效率,但是在单位时间内切除的材料多,工件热传导不充分,累积的机加应力也大,很容易导致薄壁件变形;切削深度受刀具半径制约,并且切削深度将直接影响工件受到的切削力,因为选用的刀具半径仅为0.4mm,且为了减少切削力对薄壁件的影响,切削深度也不宜过大;在满足加工精度的前提下,选择合适的切削参数;
4)进行试验件试验,摸索加工规律:通过加工试验解决了精车内外型面、加工大小端后对工件产生变形的影响;采用新结构夹具解决了加工振颤的问题;通过加工试验选择刀具的可行性,切削参数的合理性;在加工大端和小端时,因工件壁薄刚性差,按照正常铣加工工件端面有变形,为了进一步控制切削力对工件变形的影响,因此采用多次扩孔加工和分层加工;经检测尺寸和技术条件均符合图纸要求;
5)试验件试验合格后,再正式加工后续工件,采用与试验件同样的工艺路线、装夹方式,加工刀具,切削参数;正式工件加工后,经用三坐标检测检查合格,突破了高温合金薄壁筒轴工件变形的技术瓶颈。
薄壁筒轴工件,壁薄,中段壁厚为2mm,大端锥面壁厚仅1.8mm,工件各尺寸精度要求高,技术条件要求严,很多技术条件都在0.015~0.025mm之间。中段壁厚为2mm,大端锥面壁厚仅1.8mm,大端均布有XX个ΦXX小孔,小端均布有XX个ΦXX小孔,大小端孔位置度均为0.04mm,小端内端面均布有XX个ΦX小孔,小端外圆和小端内端面内圆对应分布有XX处花边,小端端面有XX处槽。还有动平衡等技术要求,精度要求高,加工很难保证。而且该工件属于薄壁件,整个型面厚度仅1.8-2mm,结构刚性差;工件材料为高温合金,该材料硬度高,可切削性差,无直接可借鉴经验,这些都为保证该工件加工质量带来困难。如图1,薄壁筒轴变形控制为薄壁高温合金筒轴工件关键加工技术难点。
1、工艺路线对工件变形的控制
因为工件属于薄壁件,在开始制定工艺路线时就必须考虑控制变形。
工件材料为高温合金,加工时候切削力大,容易累积较大的机加应力,为了最大限度减小机加应力对工件变形的影响,工艺路线安排了两次消除应力热处理:经过车超声波面、粗车后,工件每边剩余2~3mm余量,工件去除材料多,累积机加应力大,此时进行第一次消除应力热处理,消除前几道工序累积的应力;当半精车后,各边余量严格控制在1mm,再进行一次消除应力热处理,释放工件中所累积的机加应力,控制精车时机加应力对工件变形的影响。
因为工件壁厚仅2mm,为保证该尺寸的加工精度,将内外圆型面在同一工序中加工,减少重复装夹对各尺寸精度的影响。同时由于是一次加工完成内外型面,相关的技术条件也得到了保证。
2、精车前修复小端基准
在第二次消除应力热处理之后,修复小端基准。加工前找正夹具配合端面跳动不大于0.01mm。以大端端面和外圆为基准,压紧大端内端面,涨紧内型面,如图2。在外型面靠工件中间位置上加工出宽约10mm、深0.1(毫米)max的环形找正带,以便下工序精车内外型面找正用。
3、精车内外型面控制变形
为了控制工件壁厚差,同时保证各技术条件的要求,在修复小端基准后,一次加工内外型面和端面。工件在该工序实际加工部位如图3所示,小端位置为本工序用于夹紧的部分,虚线内部分为该工序需要加工部分。
为了达到一次装夹加工内外型面及端面,且减少机加力对工件变形的影响,因此设计了专用的精车夹具。
如图4所示,夹具有4组压板,4个独立的可拆卸的外圆支撑,一组可拆卸的内支撑,锥面支撑,端面压盖等,主要采用压板压紧,再配合内外圆辅助支撑,以保证装夹质量,减少工件振动,控制工件变形。在实际加工时,先用压板轻轻压紧工件,找正外圆找正带跳动不大于0.01mm后,压紧压板,安装外圆辅助支撑,调节上面的旋钮,使支撑面与工件外型面接触,此时开始加工工件端面和内型面。加工完毕后,安装内支撑,安装并调节锥面支撑至轻轻压紧工件,然后轻微压紧端面压盖,并卸掉外圆支撑,此时开始加工工件外型面。
采用该套夹具加工工件,工件被充分支撑,变形得到了有效控制。加工后的工件表面基本无振纹,满足设计图纸对工件尺寸精度和技术条件的要求。
4、优化切削刀具、加工参数
因为工件材料为高温合金,适合加工的刀具的材料为TS2000、CP200、KC5010、IC907等,根据工件状态,结合实际情况,最终采购材质为CP200刀片加工。刀具半径过小,切削深度对应也很小,切削效率不高,并且因为材料很硬,刀片磨损快,刀具半径过大,切削接触面大,切削力也很大,容易引起薄壁件的变形,综合考虑选用刀片半径为R0.4mm。转速高,进给量大,虽然可以提高切削效率,但是在单位时间内切除的材料多,工件热传导不充分,累积的机加应力也大,很容易导致薄壁件变形。切削深度受刀具半径制约,并且切削深度将直接影响工件受到的切削力,因为选用的刀具半径仅为0.4mm,且为了减少切削力对薄壁件的影响,切削深度也不宜过大。经过多次试验,在满足加工精度的前提下,转速为40r/min,进给量为0.1mm/r,切削深度不超过0.25mm。
5、镗孔、铣削加工
加工大端端面时夹具的设计
工件大端端面有XX处小孔,X处槽,大端外圆有X处缺口。在加工大端面时,为防止刀具钻削力使工件大端变形,因此设计了专用夹具,减少工件变形,如图5所示。夹具以大端内端面为支撑,小端内圆为止口,压紧大端端面。支撑座内侧小孔用于钻镗大端面孔工序,防止钻孔时,钻伤夹具,外侧有一处缺口,用于铣大端外圆缺口工序,压盖上有对应的缺口,用于铣大端面槽工序。夹具满足三个工序使用要求,减少专用夹具的数量,保证夹具制造节点的同时,也节约了成本。采用快换装置可使夹具可在不拆卸压板螺母的情况下快速更换工件,方便现场加工。
加工小端端面时夹具的设计:小端均布有XX个ΦXX小孔,端面有XX个槽,外圆有XX处花边,在小端内端面上还均布有XX个ΦX小孔,内端面内侧有XX处花边。由于加工余量大,且既有钻镗加工,又有铣加工,因此需要对小端进行充分支撑,以较少振刀,控制工件变形。由于工件大端在下,小端在上,因此需要设计特殊结构的夹具。
该夹具上端支撑面为两个可拆卸的半环型结构,将工件放入夹具内后,再调整支撑面支撑工件小端下端面,并用螺钉将支撑面固定在夹具上。在钻镗小端端面孔和小端内端端面孔时,用特制压板压紧小端端面。在加工小端端面槽、小端外圆花边、小端内端面内侧花边时,用螺钉通过小端端面孔将工件压紧在夹具上,拆掉特制的压板,开始加工。夹具满足五个工序使用要求,大大减少专用工装数量,降低工装制造成本。利用该工装加工的工件,加工效率高,表面质量好,工件变形也得到充分控制。
镗削、铣削加工:在加工大端和小端时,为了进一步控制切削力对工件变形的影响,因此采用多次扩孔加工和分层加工。
以加工大端端面孔假设Φ12.3+0.0180mm为例:先采用Φ7mm中心钻打点,然后用Φ9mm钻头钻孔,Φ11.5mm铣刀第一次扩孔,Φ12mm铣刀第二次扩孔,接着用镗刀片镗孔至Φ12.20~12.25mm,最后用Φ12.3050-0.005mm圆柱柄铰刀铰孔至合格。每次钻削量都很小,工件受到的钻削力不大,最大限度控制工件在镗孔时的变形。在铣小端外圆花边时,采用了每层加工,每次切削0.5mm,分5次粗加工一个花边,并在所有花边加工完毕后再对花边进行一次精铣,最终完成的花边无振纹,表面质量高。
经过采用以上步骤加工的筒轴工件,筒轴变形得到了很好的控制,加工的筒轴工件符合图纸要求,突破了高温合金薄壁筒轴变形的技术瓶颈,可在同类工件中推广使用,为类似件加工提供了可借鉴的经验,提升了制造技术水平,具有深远的意义和一定的经济效益。
Claims (1)
1.一种高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法,其特征在于:所述的高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法是:
1)确定工艺方案:因为工件属于薄壁件,在开始制定工艺路线时就必须考虑控制变形;
工件材料为高温合金,加工时候切削力大,容易累积较大的机加应力,为了最大限度减小机加应力对工件变形的影响,工艺路线安排了两次消除应力热处理:经过车超声波面、粗车后,工件每边剩余2~3mm余量,工件去除材料多,累积机加应力大,此时进行第一次消除应力热处理,消除前几道工序累积的应力;当半精车后,各边余量严格控制在1mm,再进行一次消除应力热处理,释放工件中所累积的机加应力,控制精车时机加应力对工件变形的影响;
因为工件壁厚1.8-2mm,为保证该尺寸的加工精度,将内外型面在同一工序中加工,减少重复装夹对各尺寸精度的影响;同时由于是一次加工完成内外型面,相关的技术条件也得到了保证;
2)确定防变形夹具结构:研究确定工件装夹方式,改进夹具装夹方案,精车内外型面、加工大端面孔槽、加工小端面孔槽采用防变形的专用夹具,解决工件加工时引起的变形问题;
精车内外型面时一般夹具采用内外倒压板或压盖进行,由于此工件壁厚太薄,刚性差,加工时易产生振纹,工件也易变形,很多精度要求较高尺寸及技术条件无法保证;设计了一套专用车加工型面夹具,带有可拆卸的外圆支撑,一组可拆卸的内支撑,锥面支撑,以减少零件装夹变形;专用夹具有定位部分、夹紧装置、压紧装置,还有支撑装置;夹具有4组压板,4个独立的可拆卸的外圆支撑,一组可拆卸的内支撑,锥面支撑,端面压盖等,主要采用压板压紧,再配合内外圆辅助支撑,以保证装夹质量,减少工件振动,控制工件变形;采用该套夹具加工工件,工件做到充分支撑,变形得到了有效控制;
大端面为整个工件的轴向基准,精度要求高;在加工大端面时,刀具钻削力使工件大端易变形,无法满足大端面高精度要求,夹具,减少工件变形;夹具以大端内端面为支撑,小端内圆为止口,压紧大端端面;支撑座内侧小孔用于钻镗大端面孔工序,防止钻孔时,钻伤夹具,外侧有一处缺口,用于铣大端外圆缺口工序,压盖上有对应的缺口,用于铣大端面槽工序;夹具满足三个工序使用要求;
小端面对大端面有较高的技术条件要求;加工小端面时,由于加工余量大,且既有钻镗加工,又有铣加工,小端面易变形,很难保证与大端面的相对要求;因此需要对小端进行充分支撑,以较少振刀,控制工件变形;该夹具上端支撑面为两个可拆卸的半环型结构,将工件放入夹具内后,再调整支撑面支撑工件小端下端面,并用螺钉将支撑面固定在夹具上;在钻镗小端端面孔和小端内端端面孔时,用特制压板压紧小端端面;在加工小端端面槽、小端外圆花边、小端内端面内侧花边时,用螺钉通过小端端面孔将工件压紧在夹具上,拆掉特制的压板,开始加工;夹具满足五个工序使用要求;
3)优化切削刀具、加工参数;刀具半径过小,切削深度对应也很小,切削效率不高,并且因为材料很硬的原因非常废刀片,刀具半径过大,切削接触面大,切削力也很大,容易引起薄壁件的变形;根据工件状态,结合实际情况,最终适合的刀具;转速高,进给量大,虽然可以提高切削效率,但是在单位时间内切除的材料多,工件热传导不充分,累积的机加应力也大,很容易导致薄壁件变形;切削深度受刀具半径制约,并且切削深度将直接影响工件受到的切削力,因为选用的刀具半径仅为0.4mm,且为了减少切削力对薄壁件的影响,切削深度也不宜过大;在满足加工精度的前提下,选择合适的切削参数;
4)进行试验件试验,摸索加工规律:通过加工试验解决了精车内外型面、加工大小端后对工件产生变形的影响;采用新结构夹具解决了加工振颤的问题;通过加工试验选择刀具的可行性,切削参数的合理性;在加工大端和小端时,因工件壁薄刚性差,按照正常铣加工工件端面有变形,为了进一步控制切削力对工件变形的影响,因此采用多次扩孔加工和分层加工;经检测尺寸和技术条件均符合图纸要求;
5)试验件试验合格后,再正式加工后续工件,采用与试验件同样的工艺路线、装夹方式,加工刀具,切削参数。
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CN201510831008.7A CN106425286A (zh) | 2015-11-24 | 2015-11-24 | 一种高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法 |
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