CN107350754B - 带有斜环型槽外筒的加工方法 - Google Patents
带有斜环型槽外筒的加工方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及带有斜环型槽外筒的加工方法，通过对材料的特性及加工性能分析，并根据加工设备、设施、环境状况等因素，制定合理的零件加工工艺。该加工工艺通过对设备、刀具及热处理等加工过程和环境安全等进行控制，利用车铣三轴粗铣削加工和五轴半精加工，待零件热处理后，再次采用数控车和数控磨通过一定的工艺策略并采取合理的装夹方式和严格的磨削参数，获得质量好的斜环型槽外筒。
Description
技术领域
本发明涉及一种起落架外筒的加工方法，尤其涉及一种用于带有薄壁型斜环型槽外筒的加工方法，属于机械加工领域。
背景技术
随着我国航空工业的大力发展，对飞机的设计性能要求越来越高，随之机械加工技术要求也要与之同步进行创新，提供更可靠、更高效的加工方法。以带有斜环型槽的起落架外筒零件为例，一般地，该外筒包括本体1，本体1上设有与本体1中心轴线不垂直的斜环型槽2，本体上靠近斜环型槽2的一端设有向本体外侧延伸的斜耳片，该斜耳片上设有斜耳片孔3，本体的另一端设有与斜耳片垂直的扭力臂耳片，扭力臂耳片上设有扭力臂孔4，其中，斜耳片孔中心与斜环型槽中心轴线在同一直线上。该零件外型尺寸较大，斜环型槽部位周边壁厚最小处仅为 3.7 mm，属典型的薄壁腔型零件，零件结构刚性差，易变形，是该飞机起落架主要承力构件之一，实现起落架收放作用，为高精度配合部位，尺寸及位置公差要求很严，该零件为关键件，材料为30CrMnSiNi2A超高强度钢，因工艺设计难度的增加，对该零件的难点之一就是解决薄壁型斜环型槽部位的加工，为该类结构件的加工提供了典范，可广泛应用于航空航天等机械加工行业，具有较强的社会和经济效益。用于制造外筒的外筒粗坯一般为模锻件。
对于该类零件斜轴颈部位的加工工艺的研究，属于首次加工，无任何借签经验：第一、采用卧式加工中心加工零件， 主轴悬伸必须大于800mm，机床附件无法满足要求，且不稳定；第二、采用车床、磨床加工零件，因该零件的外型结构，无法指定找正基准，尺寸及粗糙度均无法保证。因此必须采用新工艺、新方法，突破以往加工方法。本发明首先采用三轴笛卡尔坐标（X轴、Y轴、Z轴）及五轴（X轴、Y轴、Z轴、C轴、B轴）编制数控三轴程序及五轴程序，再利用车铣加工中心完成零件的粗加工及半精加工；再之待零件经过热处理后，利用数控车及数控磨机床对零件采取合理的装夹方式和控制严格的磨削参数等，制定合理的工艺流程，保证了产品的质量及其各项设计要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是：提供一种用于带有薄壁斜环型槽外筒的机械加工方法，以解决薄壁斜环型槽零件机械加工过程中所出现的安全和质量问题，并能够提高其加工效率。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：带有斜环型槽外筒的加工方法，由外筒粗坯加工而成，所述外筒粗坯包括本体，本体的一端设有斜耳片粗坯，本体的另一端设有扭力耳片粗坯，包括如下步骤：
S1、取外筒粗坯，进行划线确认，确保外筒粗坯无缺陷后，在外筒粗坯本体的两端分别加工出装夹孔；再在本体上加工出沿本体长度方向依次排列的第一外圆、第二外圆和第三外圆；
S2、以步骤S1中第一外圆、第二外圆和第三外圆为基准，在外筒粗坯本体上扭力臂耳片所在一端加工出内孔；
S3、采用三轴笛卡尔坐标和五轴坐标分别编制数控三轴粗铣削程序和数控五轴半精加工程序，再利用车铣加工中心对外筒粗坯进行外形粗铣，加工出斜耳片、斜环型槽和扭力臂耳片并使它们满足外形尺寸要求，再进行半精加工，使得斜耳片孔的中心与斜环型槽的中心轴线在同一直线上；其中，留2-2.5mm余量；
S4、对外筒粗坯依次进行淬火、回火处理，获得抗拉强度为1570-1770MPa的外筒半精粗坯；
S5、在外筒半精粗坯上加工出沿本体长度方向第四外圆和第五外圆，作为后续加工基准；
S6、在内孔的孔口镗削内螺纹；对扭力臂孔和外筒半精粗坯靠近扭力臂耳片的端面进行数控铣精加工；
S7、将外筒半精粗坯和夹具组装在一起，使得外筒半精粗坯右端面与夹具的零件安装面紧密贴合，再通过扭力臂孔将外筒粗坯固定于夹具上；
S8、找正步骤S5中第四外圆和第五外圆，保证跳动量≤0.05，复查斜环型槽的角度，在斜耳片左端加工出顶尖孔，在夹具夹头右端加工出外圆；其中，所述顶尖孔的中心轴线与斜环型槽的中心轴线重合；
S9、进行数控车精加工：用机床四爪卡爪夹紧夹具夹头右端外圆，用尾座顶尖顶入外筒半精粗坯左端的顶尖孔，找正夹具夹头处加工面，保证跳动量≤0.05；复查斜耳片孔中心到斜环型槽中心的距离，精加工斜环型槽部位尺寸，为后续数控磨最终加工做好准备；
S10、进行数控磨精加工：将外筒半精粗坯连同夹具一起从步骤S9中数控车机床上拆出，并一起安装到数控磨机床上，保证斜环型槽中心轴线位于水平面上；找正夹具夹头处加工面，保证跳动量≤0.05；同时复查斜环型槽面跳动量≤0.05，再复查斜耳片孔中心到斜环型槽中心的距离，最后选用砂轮进行磨削加工，使得斜环型槽部位满足加工尺寸要求。
步骤S1中第一外圆、第二外圆和第三外圆通过车工切削获得，切削参数为：转速n=30-40 r/min，进给量F=20-30 mm/min，切削深度为0.8-1.2mm。
斜环型槽中心轴线与外筒中心轴线的夹角为12.37°。
步骤S3中，粗铣加工时选用φ32-φ63的转位刀，切削参数为：n=800-1200 r/min，F= 500-800 mm/min，切削深度为1.5mm；半精加工时选用φ20-φ10合金刀，切削参数为：n=1500 r/min，F= 800mm/min，切削深度为0.5mm。
步骤S4中，先将外筒粗坯在奥氏体化温度保温120-130分钟后，然后油冷至室温，再在255-295℃条件下回火处理180分钟。优选地，该奥氏体化温度为900℃。
步骤S9中切削参数为：转速25-30r/min、进给量0.05-0.15mm/r、切削深度0.15-0.25mm。优选地，步骤S9中数控车加工后余量为0.5mm。
步骤S10中， 选用白刚玉砂轮进行磨削，切削参数为：砂轮转速315-730r/min，工件转速14-88r/min；砂轮横向进给粗加工为0.025mm/行程，精加工为0.005-0.01mm/行程；轴向进给量 3-6mm/r。
步骤S10后还包括对带有斜环型槽外筒进行数控铣精加工和表面处理的步骤。
本发明是针对薄壁斜环型槽外筒进行加工的一种方法，通过对材料的特性及加工性能分析，并根据加工设备、设施、环境状况等因素，制定合理的零件加工工艺。该加工工艺通过对设备、刀具及热处理等加工过程和环境安全等进行控制，利用车铣三轴粗铣削加工和五轴半精加工，待零件热处理后，再次采用数控车和数控磨通过一定的工艺策略并采取合理的装夹方式和严格的磨削参数，确保产品质量，实现该产品的加工。
附图说明
图1是外筒粗坯结构示意图。
图2是外筒成品结构示意图。
图3是本发明第一种实施方式中经步骤S1加工后的外筒粗坯结构示意图。
图4是本发明第一种实施方式中经步骤S2加工后的外筒粗坯半剖结构示意图。
图5是本发明第一种实施方式中经步骤S3加工后的外筒粗坯结构示意图。
图6是本发明第一种实施方式中经步骤S5加工后的外筒半精粗坯结构示意图。
图7是本发明第一种实施方式中经步骤S6加工后的外筒半精粗坯结构示意图。
图8是本发明第一种实施方式中外筒半精粗坯与夹具组装在一起后的状态示意图。
图9是本发明第一种实施方式中经步骤S8加工后的外筒半精粗坯结构示意图。
图10是图9中Ⅰ部分的放大图。
图11是本发明第一种实施方式中步骤S9和S10中外筒半精粗坯和夹具在相应机床上的状态示意图。
图12是本发明第一种实施方式中外筒半精粗坯与夹具组装在一起后夹具部分的剖视图。
在图中，1-本体，2-斜环型槽，3-斜耳片孔，4-扭力臂孔，5-内孔，6-卡爪，7-孔定向耳片芯轴，8-定位心轴，9-配重块，10-夹具体，11-顶尖孔，12-尾座顶尖，a-外筒中心轴线，b-机床主轴中心线。
具体实施方式
以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
带有斜环型槽外筒的加工方法，所述外筒由外筒粗坯加工而成，所述外筒粗坯包括本体1，本体1的一端设有斜耳片粗坯，本体1的另一端设有扭力耳片粗坯，包括如下步骤：
S1、取外筒粗坯，进行划线确认，确保外筒粗坯无缺陷后，在外筒粗坯本体的两端分别加工出装夹孔；再在本体上加工出沿本体长度方向依次排列的第一外圆A、第二外圆B和第三外圆C；
本步骤中各工种车工、镗工所用设备在加工零件前必须清扫干净，无杂屑；切削刀具要锋利和光滑，各个工种在零件流转过程中，因体积较大，注意磕碰；
S2、以步骤S1中第一外圆A、第二外圆B和第三外圆C为基准，在外筒粗坯本体上扭力臂耳片所在一端加工出内孔5；
S3、采用三轴笛卡尔坐标和五轴坐标分别编制数控三轴粗铣程序和数控五轴半精加工程序，再利用车铣加工中心对外筒粗坯进行外形粗铣，加工出斜耳片、斜环型槽2和扭力臂耳片并使它们满足外形尺寸要求，再进行半精加工，使得斜耳片孔3的中心与斜环型槽2的中心轴线在同一直线上；其中，留2-2.5mm余量；完成零件角度、尺寸特征；
该过程中可采用一夹一顶的方式进行定位；
S4、对外筒粗坯依次进行淬火、回火处理，获得抗拉强度为1570-1770MPa的外筒半精粗坯；
S5、在外筒半精粗坯的本体上加工出沿本体长度方向从左至右分布的第四外圆D和第五外圆E，作为后续加工基准；应该注意的是，这里的第四外圆D和第五外圆E与步骤S1中的第一外圆A、第二外圆B和第三外圆C并不冲突，位置范围可以有公有区域；
由于零件通过热处理后存在变形，重新进行加工外圆基准，为后续加工步骤提供加工基准、找正基准；
S6、在内孔5的孔口镗削内螺纹，方便后续使外筒半精粗坯与夹具通过螺纹连接；对扭力臂孔4和外筒半精粗坯靠近防扭臂耳片的端面进行数控铣精加工；
S7、将外筒半精粗坯和夹具组装在一起，使得外筒半精粗坯右端面与夹具的零件安装面紧密贴合，再通过扭力臂孔4将外筒粗坯固定于夹具上，防止摆动；
S8、找正步骤S5中第四外圆D和第五外圆E，保证跳动量≤0.05，复查斜环型槽的角度，在斜耳片左端加工出顶尖孔及加工夹具右端外圆，为后续步骤做准备；其中，所述顶尖孔的中心轴线与斜环型槽的中心轴线重合；
S9、进行数控车加工：用机床四爪卡爪夹紧夹具右端夹头，用尾座顶尖顶入外筒半精粗坯左端的顶尖孔，找正夹具夹头处加工面，保证跳动量≤0.05；复查斜耳片孔中心到斜环型槽中心的距离，半精加工斜环型槽部位尺寸，为后续数控磨精加工做好准备；
S10、进行数控磨加工：将外筒半精粗坯连同夹具一起从步骤S9中数控车机床上拆出，并一起安装到数控磨机床上，保证斜环型槽中心轴线位于水平面上；找正夹具夹头处加工面，保证跳动量≤0.05；再次复查斜耳片孔中心到斜环型槽中心的距离，最后选用砂轮进行切削加工，获得带有斜环型槽部位的加工尺寸。
步骤S1中第一外圆A、第二外圆B和第三外圆C通过车工切削获得，切削参数为：转速n=30-40 r/min，进给量F=20-30 mm/min，切削深度为0.8-1.2mm。
斜环型槽中心轴线与外筒中心轴线的夹角为12.37°。斜环型槽中心与斜耳片孔中心的距离为700±0.1mm。斜环型槽中心到外筒右端的距离为1611.16mm。
步骤S3中，粗铣加工时选用φ32-φ63的转位刀，切削参数为：n=800-1200 r/min，F= 500-800 mm/min，切削深度为1.5mm； 半精加工时选用φ20-φ10的转位刀，切削参数为：n= 1500 r/min，F= 800mm/min，切削深度为0.5mm。
步骤S3具体流程如下：
编制方法及流程：基本参数设置→程序头格式设置→程序尾格式设置→程序中信息说明→生成后置处理文件→添加到数控加工后置处理模版中→生成数控程序代码→对数控程序进行验证→对零件进行加工。
步骤S3中，三轴程序之一如下（备注：其中一个程序，举例说明）：
;%_N_66A1_MPF …………………………………… 程序1：
N1 TLCH1("mill_D32R8c",0.0) ………………… 换刀“mill_D32R8c”
N2 TLPREP1 ………………………………………… 清空换刀臂刀具
N3MCMILLS1 ………………………………………… 铣削模态
N4 G54 ……………………………………………… 指定加工坐标系G54
N5 TLZTRANS(0,1.1) ……………………………… 加工坐标系偏移1.1
N6 M126 ……………………………………………… 中心架清洗开
N7 M3=08 …………………………………………… 冷却液开
N8 G90 G64 ………………………………………… 绝对值模态及连续轨迹模式
N9 M1=57 …………………………………………… 中心架松开
N10 G0 G90 C1=90 ………………………………… C轴转到90°
N11 M1=56 …………………………………………… 中心架夹紧
N12 Z1=350. ………………………………………… 将刀具移到安全距离
N13 G0 X1=1704.303 Y1=5.614 Z1=350. S3=1200 M3=03 ……… 主轴旋转并到达起刀点
N14 Z1=245.
N15 G1 Z1=127.405 F800.
N16 G94 G1 Z1=124.405
N17 G3 X1=1686.092 Y1=-7.101 I-2.511 J-15.802 …… 程序的加工
……
N2870 X1=1728.736 Y1=142.1 I-.132 J16.
N2871 G0 Z1=350.
N2872 M01 …………………………………………………… 程序选择性停止
步骤S3中，五轴程序之一如下（备注：其中一个程序举例说明）：
;%_N_226A1_MPF …………………………………………… 程序1：
N1 TLCH1("Mill_D40R8",-90) …………………………… 换刀“mill_D32R8c”
N2 TLPREP1 ………………………………………………… 清空换刀臂中刀具
N3 MCMILLS1 ………………………………………………… 铣削模态
N4 MCC1ZERO ………………………………………………… C轴的零点设定
N5 G00 G90 G54 G64 C1=0 M3=08 M3=03 S3=1200 F800. … 主轴旋转并到达起刀点
N6 MILL5AON ………………………………………………… 开启五轴转换功能
TLZTRANS(0,0.84) ………………………………………… 加工坐标系偏移0.84
N7 X1=190.263 Y1=45.362 Z1=-1570.26 B1=-12.305 C1=-6.142
……
N7273 X1=132.044 Y1=-35.376 Z1=-1560.509 B1=-12.305 C1=-4326.142 ……程序的加工
N7274 G00 X1=186.444 Y1=-41.229 Z1=-1548.575 B1=-12.305 C1=-4326.142
N7275 M3=09 M3=05
TLZTRANS …………………………………………………… 加工坐标系偏移取消
N7277 MILL5AOF …………………………………………… 关闭五轴转换功能
N7278 TLCOSOF ……………………………………………… 取消选择刀具坐标系
N7279 MCC1ZERO …………………………………………… C轴的零点设定
N7280 G53 X1=700. D0
N7281 G53 Z1=1200.
N7282 B1=-90.
N7283 M30
步骤S4中，先将外筒粗坯在奥氏体化温度下保温，然后油冷至室温，再在255-295℃条件下回火处理。
步骤S9中切削参数为：转速25-30r/min、进给量0.05-0.15mm/r、切削深度0.15-0.25mm。
步骤S10中，选用白刚玉砂轮进行磨削，切削参数为：砂轮转速315-730r/min，工件转速14-88r/min；砂轮横向进给粗加工为0.025mm/行程，精加工为0.005-0.01mm/行程；轴向进给量 3-6mm/r。
步骤S10后还包括对带有斜环型槽外筒进行数控铣精加工和表面处理的步骤。
因为夹具上的螺纹公差较大，导致夹具存在间隙误差，优选地，当夹具装好后，对零件和夹具一起进行复查，重新修正夹具右端夹头。
通过车铣加工中心三轴和五轴铣削，减少工件的装夹次数，节省大量的专用和通用工艺装备，采用车铣加工中心进行铣削，并且消除因多次装夹带来的重复定位误差，它集铣削、钻削、铰削、镗削、攻螺纹和铣螺纹于一身，有利于保证各加工部位的位置精度要求。根据该结构零件角度特征，充分利用车铣三轴和五轴的特点，在加工过程中充分发挥机床具有两个旋转轴的优势，摆动B轴，并配合使用C轴旋转定位，既可以缩短刀具的悬伸长度又可以完成零件角度特征的加工，进行编程并实施操作，进行斜环型槽部位的粗加工铣削及半精加工铣削。
车削加工采用一夹一顶方式，一端耳片处制作顶尖孔，另一端设计一套专用车具（偏心夹头）。该车具采用焊接方式，并通过螺纹连接，确保装夹牢靠（右端回转直径约900mm，现有大型车床能够满足要求），然后在卧式加工中心修正夹头和顶尖孔，后之利用大车四爪卡爪夹紧夹具右端夹头，左端顶零件顶尖孔，将被加工部位转化为沿轴线回转结构，这样就实现了连续车削工艺。
磨削加工需要通过两次磨削加工和一次低温回火，确保产品质量。第一次磨削加工很大程度消除零件变形，同时大余量磨削加工后产生内应力，后续在190±100°C的温度下保持4小时左右的时间消除内应力，然后精磨斜环型槽部位最终余量。磨削加工时，磨削参数非常重要，一方面要避免参数不当造成零件过热，甚至烧伤；另一方面，过渡的参数会使工件产生变形，影响产品质量，因此，磨削过程严格控制磨削参数。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。
Claims (3)
1.带有斜环型槽外筒的加工方法，由外筒粗坯加工而成，所述外筒粗坯包括本体（1），本体（1）的一端设有斜耳片粗坯，本体（1）的另一端设有扭力耳片粗坯，其特征在于，包括如下步骤：
S1、取外筒粗坯，进行划线确认，确保外筒粗坯无缺陷后，在外筒粗坯本体的两端分别加工出装夹孔；再在本体上加工出沿本体长度方向依次排列的第一外圆（A）、第二外圆（B）和第三外圆（C）；
其中，第一外圆（A）、第二外圆（B）和第三外圆（C）通过车工切削获得，切削参数为：转速n=30-40 r/min，进给量F=20-30 mm/min，切削深度为0.8-1.2mm；
S2、以步骤S1中第一外圆（A）、第二外圆（B）和第三外圆（C）为基准，在外筒粗坯本体上扭力臂耳片所在一端加工出内孔（5）；
S3、采用三轴笛卡尔坐标和五轴坐标分别编制数控三轴粗铣削程序和数控五轴半精加工程序，再利用车铣加工中心对外筒粗坯进行外形粗铣，加工出斜耳片、斜环型槽（2）和扭力臂耳片并使它们满足外形尺寸要求，再进行半精加工，使得斜耳片孔（3）的中心与斜环型槽（2）的中心轴线在同一直线上；其中，留2-2.5mm余量，粗铣加工时选用φ32-φ63的转位刀，切削参数为：转速n=800-1200 r/min，进给量F= 500-800 mm/min，切削深度为1.5mm；半精加工时选用φ20-φ10的合金刀，切削参数为：转速n= 1500 r/min，进给量F= 800mm/min，切削深度为0.5mm；
S4、对外筒粗坯依次进行淬火、回火处理，获得抗拉强度为1570-1770MPa的外筒半精粗坯；
S5、在外筒半精粗坯上加工出沿本体长度方向第四外圆（D）和第五外圆（E），作为后续加工基准；
S6、在内孔（5）的孔口镗削内螺纹；对扭力臂孔（4）和外筒半精粗坯靠近扭力臂耳片的端面进行数控铣精加工；
S7、将外筒半精粗坯和夹具组装在一起，使得外筒半精粗坯右端面与夹具的零件安装面紧密贴合，再通过扭力臂孔（4）将外筒粗坯固定于夹具上；
S8、找正步骤S5中第四外圆（D）和第五外圆（E），保证跳动量≤0.05，复查斜环型槽的角度，在斜耳片左端加工出顶尖孔，在夹具夹头右端加工出外圆；其中，所述顶尖孔的中心轴线与斜环型槽的中心轴线重合；
S9、进行数控车精加工：用机床四爪卡爪夹紧夹具夹头右端外圆，用尾座顶尖顶入外筒半精粗坯左端的顶尖孔，找正夹具夹头处加工面，保证跳动量≤0.05；复查斜耳片孔中心到斜环型槽中心的距离，精加工斜环型槽部位尺寸，为后续数控磨最终加工做好准备；
其中，精加工时切削参数为：转速25-30r/min、进给量0.05-0.15mm/r、切削深度0.15-0.25mm；
S10、进行数控磨精加工：将外筒半精粗坯连同夹具一起从步骤S9中数控车机床上拆出，并一起安装到数控磨机床上，保证斜环型槽中心轴线位于水平面上；找正夹具夹头处加工面，保证跳动量≤0.05；同时复查斜环型槽面跳动量≤0.05，再复查斜耳片孔中心到斜环型槽中心的距离，最后选用砂轮进行磨削加工，使得斜环型槽部位满足加工尺寸要求；
其中，选用白刚玉砂轮进行磨削，切削参数为：砂轮转速315-730r/min，工件转速14-88r/min；砂轮横向进给粗加工为0.025mm/行程，精加工为0.005-0.01mm/行程；轴向进给量3-6mm/r；斜环型槽中心轴线与外筒中心轴线的夹角为12.37°；斜环型槽中心与斜耳片孔中心的距离为700±0.1mm；斜环型槽中心到外筒右端的距离为1611.16mm。
2.根据权利要求1所述的带有斜环型槽外筒的加工方法，其特征在于，步骤S4中，先将外筒粗坯在奥氏体化温度保温120-130分钟后，然后油冷至室温，再在255-295℃条件下回火处理180分钟。
3.根据权利要求1所述的带有斜环型槽外筒的加工方法，其特征在于，步骤S10后还包括对带有斜环型槽外筒进行数控铣精加工和表面处理的步骤。
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