一種高精度薄壁筒軸控制變形的加工方法與流程
2023-05-03 16:01:47 1
本發明涉及機械加工技術領域，特別涉及了一種高精度薄壁筒軸控制變形的加工方法。
背景技術：
在機械加工技術中，特別是在高精度高溫合金薄壁筒軸工件的加工製造中，變形問題一直是一大技術難點，嚴重影響工件的合格率。此類工件在以前從未加工過，是首次接觸，沒有類似可借鑑的加工工藝。高溫合金筒軸工件是重要件，尺寸精度較高，技術條件要求多且極為嚴格，整個型面壁厚僅1.8-2mm，工件材料為高溫合金，屬難加工材料，按照以往的加工方式加工，筒軸工件總存在很大的變形，甚至已經嚴重影響到工件的合格交付，控制筒軸工件變形已經成為一個亟待解決的技術瓶頸，急需研發一種高精度高溫合金薄壁筒軸變形的控制方法。
技術實現要素：
本發明的目的是為了控制高精度高溫合金薄壁筒軸變形，特提供了一種高精度薄壁筒軸控制變形的加工方法。
本發明提供了一種高精度薄壁筒軸控制變形的加工方法，其特徵在於：所述的高精度薄壁筒軸控制變形的加工方法是：
1)確定工藝方案：因為工件屬於薄壁件，在開始制定工藝路線時就必須考慮控制變形；
工件材料為高溫合金，加工時候切削力大，容易累積較大的機加應力，為了最大限度減小機加應力對工件變形的影響，工藝路線安排了兩次消除應力熱處理：經過車超聲波面、粗車後，工件每邊剩餘2～3mm餘量，工件去除材料多，累積機加應力大，此時進行第一次消除應力熱處理，消除前幾道工序累積的應力；當半精車後，各邊餘量嚴格控制在1mm，再進行一次消除應力熱處理，釋放工件中所累積的機加應力，控制精車時機加應力對工件變形的影響；
因為工件壁厚1.8-2mm，為保證該尺寸的加工精度，將內外型面在同一工序中加工，減少重複裝夾對各尺寸精度的影響；同時由於是一次加工完成內外型面，相關的技術條件也得到了保證；
2)確定防變形夾具結構：研究確定工件裝夾方式，改進夾具裝夾方案，精車內外型面、加工大端面孔槽、加工小端面孔槽採用防變形的專用夾具，解決工件加工時引起的變形問題；
精車內外型面時一般夾具採用內外倒壓板或壓蓋進行，由於此工件壁厚太薄，剛性差，加工時易產生振紋，工件也易變形，很多精度要求較高尺寸及技術條件無法保證；設計了一套專用車加工型面夾具，帶有可拆卸的外圓支撐，一組可拆卸的內支撐，錐面支撐，以減少零件裝夾變形；專用夾具有定位部分、夾緊裝置、壓緊裝置，還有支撐裝置；夾具有4組壓板，4個獨立的可拆卸的外圓支撐，一組可拆卸的內支撐，錐面支撐，端面壓蓋等，主要採用壓板壓緊，再配合內外圓輔助支撐，以保證裝夾質量，減少工件振動，控制工件變形；採用該套夾具加工工件，工件做到充分支撐，變形得到了有效控制；
大端面為整個工件的軸向基準，精度要求高；在加工大端面時，刀具鑽削力使工件大端易變形，無法滿足大端面高精度要求，夾具，減少工件變形；夾具以大端內端面為支撐，小端內圓為止口，壓緊大端端面；支撐座內側小孔用於鑽鏜大端面孔工序，防止鑽孔時，鑽傷夾具，外側有一處缺口，用於銑大端外圓缺口工序，壓蓋上有對應的缺口，用於銑大端面槽工序；夾具滿足三個工序使用要求；
小端面對大端面有較高的技術條件要求；加工小端面時，由於加工餘量大，且既有鑽鏜加工，又有銑加工，小端面易變形，很難保證與大端面的相對要求；因此需要對小端進行充分支撐，以較少振刀，控制工件變形；該夾具上端支撐面為兩個可拆卸的半環型結構，將工件放入夾具內後，再調整支撐面支撐工件小端下端面，並用螺釘將支撐面固定在夾具上；在鑽鏜小端端面孔和小端內端端面孔時，用特製壓板壓緊小端端面；在加工小端端面槽、小端外圓花邊、小端內端面內側花邊時，用螺釘通過小端端面孔將工件壓緊在夾具上，拆掉特製的壓板，開始加工；夾具滿足五個工序使用要求；
3)優化切削刀具、加工參數；刀具半徑過小，切削深度對應也很小，切削效率不高，並且因為材料很硬的原因非常廢刀片，刀具半徑過大，切削接觸面大，切削力也很大，容易引起薄壁件的變形；根據工件狀態，結合實際情況，最終適合的刀具；轉速高，進給量大，雖然可以提高切削效率，但是在單位時間內切除的材料多，工件熱傳導不充分，累積的機加應力也大，很容易導致薄壁件變形；切削深度受刀具半徑制約，並且切削深度將直接影響工件受到的切削力，因為選用的刀具半徑僅為0.4mm，且為了減少切削力對薄壁件的影響，切削深度也不宜過大；在滿足加工精度的前提下，選擇合適的切削參數；
4)進行試驗件試驗，摸索加工規律：通過加工試驗解決了精車內外型面、加工大小端後對工件產生變形的影響；採用新結構夾具解決了加工振顫的問題；通過加工試驗選擇刀具的可行性，切削參數的合理性；在加工大端和小端時，因工件壁薄剛性差，按照正常銑加工工件端面有變形，為了進一步控制切削力對工件變形的影響，因此採用多次擴孔加工和分層加工；經檢測尺寸和技術條件均符合圖紙要求；
5)試驗件試驗合格後，再正式加工後續工件，採用與試驗件同樣的工藝路線、裝夾方式，加工刀具，切削參數；正式工件加工後，經用三坐標檢測檢查合格，突破了高溫合金薄壁筒軸工件變形的技術瓶頸。
本發明的優點：
本發明所述的高精度薄壁筒軸控制變形的加工方法，解決了高溫合金薄壁筒軸變形的技術難題。薄壁筒軸工件，壁薄，工件各尺寸精度要求高，技術條件要求嚴，很多技術條件都在0.015～0.025mm之間。中段壁厚為2mm，大端錐面壁厚僅1.8mm，大端均布有XX個ΦXX小孔，小端均布有XX個ΦXX小孔，大小端孔位置度均為0.04mm，小端內端面均布有XX個ΦX小孔，小端外圓和小端內端面內圓對應分布有XX處花邊，小端端面有XX處槽。還有動平衡等技術要求，精度要求高，加工很難保證。而且該工件屬於薄壁件，整個型面厚度僅1.8-2mm，結構剛性差；工件材料為高溫合金,該材料硬度高，可切削性差，無直接可借鑑經驗，這些都為保證該工件加工質量帶來困難。在實際加工中，制定了合理的加工路線，設計了一套車床夾具，兩套同時用於鏜床和銑床的夾具以減少工件變形，選擇合適的刀具，並優化切削參數，採用低轉速小進給加工，最終加工出合格工件，突破了高溫合金薄壁筒軸變形的技術瓶頸，保證了工件設計要求，可在同類工件中推廣使用，為類似工件加工提供了寶貴的經驗，對製造技術水平的提升，具有深遠的意義和一定的經濟效益。
附圖說明
下面結合附圖及實施方式對本發明作進一步詳細的說明：
圖1為修復小端基準加工示意圖；
圖2為精車內外型面加工部分示意圖；
圖3為加工大端面夾具示意圖；
圖4為加工小端面夾具示意圖；
圖5為加工大端面示意圖；
圖6為加工小端面示意圖。
具體實施方式
實施例1
本實施例提供了一種高精度薄壁筒軸控制變形的加工方法，其特徵在於：所述的高精度薄壁筒軸控制變形的加工方法是：
1)確定工藝方案：因為工件屬於薄壁件，在開始制定工藝路線時就必須考慮控制變形；
工件材料為高溫合金，加工時候切削力大，容易累積較大的機加應力，為了最大限度減小機加應力對工件變形的影響，工藝路線安排了兩次消除應力熱處理：經過車超聲波面、粗車後，工件每邊剩餘2～3mm餘量，工件去除材料多，累積機加應力大，此時進行第一次消除應力熱處理，消除前幾道工序累積的應力；當半精車後，各邊餘量嚴格控制在1mm，再進行一次消除應力熱處理，釋放工件中所累積的機加應力，控制精車時機加應力對工件變形的影響；
因為工件壁厚1.8-2mm，為保證該尺寸的加工精度，將內外型面在同一工序中加工，減少重複裝夾對各尺寸精度的影響；同時由於是一次加工完成內外型面，相關的技術條件也得到了保證；
2)確定防變形夾具結構：研究確定工件裝夾方式，改進夾具裝夾方案，精車內外型面、加工大端面孔槽、加工小端面孔槽採用防變形的專用夾具，解決工件加工時引起的變形問題；
精車內外型面時一般夾具採用內外倒壓板或壓蓋進行，由於此工件壁厚太薄，剛性差，加工時易產生振紋，工件也易變形，很多精度要求較高尺寸及技術條件無法保證；設計了一套專用車加工型面夾具，帶有可拆卸的外圓支撐，一組可拆卸的內支撐，錐面支撐，以減少零件裝夾變形；專用夾具有定位部分、夾緊裝置、壓緊裝置，還有支撐裝置；夾具有4組壓板，4個獨立的可拆卸的外圓支撐，一組可拆卸的內支撐，錐面支撐，端面壓蓋等，主要採用壓板壓緊，再配合內外圓輔助支撐，以保證裝夾質量，減少工件振動，控制工件變形；採用該套夾具加工工件，工件做到充分支撐，變形得到了有效控制；
大端面為整個工件的軸向基準，精度要求高；在加工大端面時，刀具鑽削力使工件大端易變形，無法滿足大端面高精度要求，夾具，減少工件變形；夾具以大端內端面為支撐，小端內圓為止口，壓緊大端端面；支撐座內側小孔用於鑽鏜大端面孔工序，防止鑽孔時，鑽傷夾具，外側有一處缺口，用於銑大端外圓缺口工序，壓蓋上有對應的缺口，用於銑大端面槽工序；夾具滿足三個工序使用要求；
小端面對大端面有較高的技術條件要求；加工小端面時，由於加工餘量大，且既有鑽鏜加工，又有銑加工，小端面易變形，很難保證與大端面的相對要求；因此需要對小端進行充分支撐，以較少振刀，控制工件變形；該夾具上端支撐面為兩個可拆卸的半環型結構，將工件放入夾具內後，再調整支撐面支撐工件小端下端面，並用螺釘將支撐面固定在夾具上；在鑽鏜小端端面孔和小端內端端面孔時，用特製壓板壓緊小端端面；在加工小端端面槽、小端外圓花邊、小端內端面內側花邊時，用螺釘通過小端端面孔將工件壓緊在夾具上，拆掉特製的壓板，開始加工；夾具滿足五個工序使用要求；
3)優化切削刀具、加工參數；刀具半徑過小，切削深度對應也很小，切削效率不高，並且因為材料很硬的原因非常廢刀片，刀具半徑過大，切削接觸面大，切削力也很大，容易引起薄壁件的變形；根據工件狀態，結合實際情況，最終適合的刀具；轉速高，進給量大，雖然可以提高切削效率，但是在單位時間內切除的材料多，工件熱傳導不充分，累積的機加應力也大，很容易導致薄壁件變形；切削深度受刀具半徑制約，並且切削深度將直接影響工件受到的切削力，因為選用的刀具半徑僅為0.4mm，且為了減少切削力對薄壁件的影響，切削深度也不宜過大；在滿足加工精度的前提下，選擇合適的切削參數；
4)進行試驗件試驗，摸索加工規律：通過加工試驗解決了精車內外型面、加工大小端後對工件產生變形的影響；採用新結構夾具解決了加工振顫的問題；通過加工試驗選擇刀具的可行性，切削參數的合理性；在加工大端和小端時，因工件壁薄剛性差，按照正常銑加工工件端面有變形，為了進一步控制切削力對工件變形的影響，因此採用多次擴孔加工和分層加工；經檢測尺寸和技術條件均符合圖紙要求；
5)試驗件試驗合格後，再正式加工後續工件，採用與試驗件同樣的工藝路線、裝夾方式，加工刀具，切削參數；正式工件加工後，經用三坐標檢測檢查合格，突破了高溫合金薄壁筒軸工件變形的技術瓶頸。
薄壁筒軸工件，壁薄，中段壁厚為2mm，大端錐面壁厚僅1.8mm，工件各尺寸精度要求高，技術條件要求嚴，很多技術條件都在0.015～0.025mm之間。中段壁厚為2mm，大端錐面壁厚僅1.8mm，大端均布有XX個ΦXX小孔，小端均布有XX個ΦXX小孔，大小端孔位置度均為0.04mm，小端內端面均布有XX個ΦX小孔，小端外圓和小端內端面內圓對應分布有XX處花邊，小端端面有XX處槽。還有動平衡等技術要求，精度要求高，加工很難保證。而且該工件屬於薄壁件，整個型面厚度僅1.8-2mm，結構剛性差；工件材料為高溫合金,該材料硬度高，可切削性差，無直接可借鑑經驗，這些都為保證該工件加工質量帶來困難。如圖1，薄壁筒軸變形控制為薄壁高溫合金筒軸工件關鍵加工技術難點。
1、工藝路線對工件變形的控制
因為工件屬於薄壁件，在開始制定工藝路線時就必須考慮控制變形。
工件材料為高溫合金，加工時候切削力大，容易累積較大的機加應力，為了最大限度減小機加應力對工件變形的影響，工藝路線安排了兩次消除應力熱處理：經過車超聲波面、粗車後，工件每邊剩餘2～3mm餘量，工件去除材料多，累積機加應力大，此時進行第一次消除應力熱處理，消除前幾道工序累積的應力；當半精車後，各邊餘量嚴格控制在1mm，再進行一次消除應力熱處理，釋放工件中所累積的機加應力，控制精車時機加應力對工件變形的影響。
因為工件壁厚僅2mm，為保證該尺寸的加工精度，將內外圓型面在同一工序中加工，減少重複裝夾對各尺寸精度的影響。同時由於是一次加工完成內外型面，相關的技術條件也得到了保證。
2、精車前修復小端基準
在第二次消除應力熱處理之後，修復小端基準。加工前找正夾具配合端面跳動不大於0.01mm。以大端端面和外圓為基準，壓緊大端內端面，漲緊內型面，如圖2。在外型面靠工件中間位置上加工出寬約10mm、深0.1(毫米)max的環形找正帶，以便下工序精車內外型面找正用。
3、精車內外型面控制變形
為了控制工件壁厚差，同時保證各技術條件的要求，在修復小端基準後，一次加工內外型面和端面。工件在該工序實際加工部位如圖3所示，小端位置為本工序用於夾緊的部分，虛線內部分為該工序需要加工部分。
為了達到一次裝夾加工內外型面及端面，且減少機加力對工件變形的影響，因此設計了專用的精車夾具。
如圖4所示，夾具有4組壓板，4個獨立的可拆卸的外圓支撐，一組可拆卸的內支撐，錐面支撐，端面壓蓋等，主要採用壓板壓緊，再配合內外圓輔助支撐，以保證裝夾質量，減少工件振動，控制工件變形。在實際加工時，先用壓板輕輕壓緊工件，找正外圓找正帶跳動不大於0.01mm後，壓緊壓板，安裝外圓輔助支撐，調節上面的旋鈕，使支撐面與工件外型面接觸，此時開始加工工件端面和內型面。加工完畢後，安裝內支撐，安裝並調節錐面支撐至輕輕壓緊工件，然後輕微壓緊端面壓蓋，並卸掉外圓支撐，此時開始加工工件外型面。
採用該套夾具加工工件，工件被充分支撐，變形得到了有效控制。加工後的工件表面基本無振紋，滿足設計圖紙對工件尺寸精度和技術條件的要求。
4、優化切削刀具、加工參數
因為工件材料為高溫合金，適合加工的刀具的材料為TS2000、CP200、KC5010、IC907等，根據工件狀態，結合實際情況，最終採購材質為CP200刀片加工。刀具半徑過小，切削深度對應也很小，切削效率不高，並且因為材料很硬，刀片磨損快，刀具半徑過大，切削接觸面大，切削力也很大，容易引起薄壁件的變形，綜合考慮選用刀片半徑為R0.4mm。轉速高，進給量大，雖然可以提高切削效率，但是在單位時間內切除的材料多，工件熱傳導不充分，累積的機加應力也大，很容易導致薄壁件變形。切削深度受刀具半徑制約，並且切削深度將直接影響工件受到的切削力，因為選用的刀具半徑僅為0.4mm，且為了減少切削力對薄壁件的影響，切削深度也不宜過大。經過多次試驗，在滿足加工精度的前提下，轉速為40r/min，進給量為0.1mm/r，切削深度不超過0.25mm。
5、鏜孔、銑削加工
加工大端端面時夾具的設計
工件大端端面有XX處小孔，X處槽，大端外圓有X處缺口。在加工大端面時，為防止刀具鑽削力使工件大端變形，因此設計了專用夾具，減少工件變形，如圖5所示。夾具以大端內端面為支撐，小端內圓為止口，壓緊大端端面。支撐座內側小孔用於鑽鏜大端面孔工序，防止鑽孔時，鑽傷夾具，外側有一處缺口，用於銑大端外圓缺口工序，壓蓋上有對應的缺口，用於銑大端面槽工序。夾具滿足三個工序使用要求，減少專用夾具的數量，保證夾具製造節點的同時，也節約了成本。採用快換裝置可使夾具可在不拆卸壓板螺母的情況下快速更換工件，方便現場加工。
加工小端端面時夾具的設計：小端均布有XX個ΦXX小孔，端面有XX個槽，外圓有XX處花邊，在小端內端面上還均布有XX個ΦX小孔，內端面內側有XX處花邊。由於加工餘量大，且既有鑽鏜加工，又有銑加工，因此需要對小端進行充分支撐，以較少振刀，控制工件變形。由於工件大端在下，小端在上，因此需要設計特殊結構的夾具。
該夾具上端支撐面為兩個可拆卸的半環型結構，將工件放入夾具內後，再調整支撐面支撐工件小端下端面，並用螺釘將支撐面固定在夾具上。在鑽鏜小端端面孔和小端內端端面孔時，用特製壓板壓緊小端端面。在加工小端端面槽、小端外圓花邊、小端內端面內側花邊時，用螺釘通過小端端面孔將工件壓緊在夾具上，拆掉特製的壓板，開始加工。夾具滿足五個工序使用要求，大大減少專用工裝數量，降低工裝製造成本。利用該工裝加工的工件，加工效率高，表面質量好，工件變形也得到充分控制。
鏜削、銑削加工：在加工大端和小端時，為了進一步控制切削力對工件變形的影響，因此採用多次擴孔加工和分層加工。
以加工大端端面孔假設Φ12.3+0.0180mm為例：先採用Φ7mm中心鑽打點，然後用Φ9mm鑽頭鑽孔，Φ11.5mm銑刀第一次擴孔，Φ12mm銑刀第二次擴孔，接著用鏜刀片鏜孔至Φ12.20～12.25mm，最後用Φ12.3050-0.005mm圓柱柄鉸刀鉸孔至合格。每次鑽削量都很小，工件受到的鑽削力不大，最大限度控制工件在鏜孔時的變形。在銑小端外圓花邊時，採用了每層加工，每次切削0.5mm，分5次粗加工一個花邊，並在所有花邊加工完畢後再對花邊進行一次精銑，最終完成的花邊無振紋，表面質量高。
經過採用以上步驟加工的筒軸工件，筒軸變形得到了很好的控制，加工的筒軸工件符合圖紙要求，突破了高溫合金薄壁筒軸變形的技術瓶頸，可在同類工件中推廣使用，為類似件加工提供了可借鑑的經驗，提升了製造技術水平，具有深遠的意義和一定的經濟效益。