輪齒類零件加工

湖南省株洲市中航工業南方航空工業（集團）有限公司 鄒吉亮

輪齒類零件加工

湖南省株洲市中航工業南方航空工業（集團）有限公司 鄒吉亮

高溫合金是一種難加工的材料，主要表現在加工硬化現象嚴重，切削力大，切削溫度高，刀具磨損劇烈，零件表面質量和精度難以保證。本文對數控加工難點進行了分析，通過改進加工路線，優化切削參數從而使問題得到了很好的解決。

數控加工 高溫合金 CPK 過程能力指數

定義：過程能力指數即CPK：當過程特性的分布中心與規格中心不重合時，過程能力指數用CPK表示，也就稱為實際過程能力指數。

CPK=（1-K）CP=（T-2ξ）/6σ

偏移量ξ=︱M-μ︱

偏離度K=ξ/（T/2）

一、工藝分析

1. 零件結構。該零件最大外徑為Ф498.983mm，壁厚僅1.81mm，形狀特別，外形有22個齒均布。整體結構復雜，22個齒的尺寸很難保證，并且不穩定，精度要求高。如圖1：

圖1

2. 零件的材料。該零件材料為AMS5666相當于高溫合金GH984。高溫合金也稱耐熱合金或熱強合金，它是一種組元很多、激活能很高、高熔點金屬元素含量很大的復雜金屬材料。它具有優良的高溫強度、熱穩定性及抗熱疲勞性能，硬度高，機械性能好，而導熱系數低，切削性能差，對刀具的耐磨性有較高的要求。

3. 零件的切削性能。該零件的毛坯是自由鍛件，進行了固溶熱處理，從而改善了材料的切削性能。毛坯圖如圖2。

圖2

零件在加工過程中切削性能主要表現在：

（1）切削變形大

（2）加工硬化傾向大在高的切削溫度和應力作用下,都將導致材料表面強化、硬度提高。

（3）切削力大切削高溫合金時比切削中碳鋼大一倍以上。

（4）切削溫度高由于材料強度高、塑性變形大、切削力大、消耗功率多、產生的熱量多，而它們的導熱系數較小，故切削溫度比切45鋼高得多。

（5）刀具易磨損切削加工時產生的嚴重加工硬化及高溫合金中的各種硬質化合物都易造成刀具的磨損，精度不易保證。

二、零件的總體加工路線

毛坯→標印→數車（粗車內徑）→數車（粗車外圓）→熱處理（消除應力）→數車（粗車定位面）→數車（半精車內孔）→數車（半精車外圓）→數銑（鉆角向孔）→數銑（粗銑22齒）→鉗工（去除毛刺標印）→數車（精車內孔）→數車（外圓）→標印（最終標?。Q工（去除毛刺）→清洗→最終檢驗。

本文著重介紹的是數銑工序零件變形，尺寸不穩定，返修超差頻繁，過程能力不穩定，是為了是零件一次進檢合格率達到100%，實際過程能力指數大于1.33，減少過程浪費，滿足準時交付的目的。

三、加工設備及刀具的選擇

1. 設備的選擇。選用立式五軸（三加二）重切削機床進行銑削。

2. 刀具的選擇原則。以往加工22齒時選用Φ30左右的玉米銑刀進行粗銑開齒，現今選用Φ19.05的玉米銑刀進行粗銑，選用Φ16的平底銑刀進行半精加工和精加工。選用直徑小的刀具成本低。

3. 刀具的冷卻。由于切削耐熱合金要產生大量切削熱，引起刀具磨損和零件變形，為了減少切削熱和刀具磨損，要盡可能進行冷卻，冷卻要充分，冷卻液選用乳化液。

4. 切削參數的選擇。由于高溫合金硬度高，導熱系數低，切削性能差，容易變形，針對本零件余量大，齒數多，要保證加工效率，所以藥選擇較為合理轉速、切深和進給率，以往對于此類零件加工會采用每刀3mm到4mm切寬和5mm到8mm的切深進行分層切削，這樣加工效率很低，針對本零件粗加工選擇Φ19.05的刀具，加工參數選用轉速S300，切深Ap28mm，切寬9mm，進給率F17，半精加工參數選擇S400，切深Ap28mm，切寬0.5mm，進給率F30，和精加工參數選擇S400，切深Ap28mm，切寬0.1mm，進給率F100，選用這樣的參數后，加工完一個零件所需要的時間為2.5個班。

四、零件的數控銑削分析

該零件的加工難點主要是22齒的銑削加工（銑削裝夾圖和加工部位如圖3）。22齒的銑削去除的余量多，銑削過程中易變形，銑削后零件從夾具上卸下后，內孔有0.05mm到0.1mm的圓度，內孔變為橢圓，基準面的平面度由原來的0.02mm變為0.05mm左右，刀具在加工過程中磨損大概在0.03mm到0.05mm左右，由于上述原因導致零件每個齒的尺寸不一致，由于每個零件變形不一致，出現每個零件的尺寸變化不可控，很難達到合格尺寸，造成頻繁返修和超差提交。通過對數據分析，可以看出加工出的一批零件尺寸極其不穩定，波動幅度之大，并且同一個尺寸的最大最小值之差可以占公差的50%左右，經過以上分析可以看出過程能力指數很低，這樣的生產過程是無法滿足批生產的要求，不能準時加工出合格零件出來，更無法滿足客戶定單要求，所以我們要進行改進，并且在不改變加工效率的情況進行改進，使過程能力指數CPK值達到1.33以上，生產出合格零件，滿足客戶準時交付要求。

五、零件的加工改進

1. 零件尺寸不穩定原因分析及解決方案。根據零件的數控銑削分析，零件尺寸不穩定原因為切削余量過大，零件變形導致尺寸變化無規律。

解決這個問題有兩種辦法，一個是修改程序，二是改變加工路線。

一修改程序，將零件粗銑修改為小余量多層切削。

優點：切削力就會減小，零件內部的應力就會減小，銑削之后的零件變形自然會減小。

缺點：零件還會有小量變形；切削時間增加，加工時間會增加數倍增加；使用刀具數量增加。

二修改加工路線，將零件內孔和基準面留余量，數銑改為粗精銑分開，粗銑與精銑之間加一道數車工序，數車車削零件的變形量，然后進行精銑

優點：數銑加工工序時間沒有增加，使用刀具數量沒有增加，消除了零件的變形，零件尺寸穩定。

缺點：需要增加數車夾具，工序增加。三熱處理之前進行粗銑優點：消除零件變形。

缺點：熱處理后的半精車無法加工，斷速加工，容易打片，零件表面粗糙度不能滿足要求。

經過以上分析可以看出第二種方法比較適合批生產，成本低，并且數車夾具可以用精車夾具共用，尺寸較為穩定。

2. 改進后結果分析。修改工藝流程之后加工12件零件收集數據進行分析，通過數據分析可以看出每個零件的尺寸基本一致，波動很小，并且同一尺寸的最大最小之差在0.03mm左右，屬于刀具磨損造成，對這12件進行CPK統計，計算其CPK值，基本上都大于1.33（見附錄1），滿足過程能力指數要求（大于或等于1.33），從而證明這個過程能力滿足批生產要求。

·附錄1