平衡鼓零件加工工藝與刀具選擇

0 引言

平衡鼓平衡法是高壓鍋爐給水泵中用來平衡軸向推力時常用的方法之一，而平衡鼓零件則是其最為關(guān)鍵的零件。由于高壓鍋爐給水泵在約5000～6000r/min高速、2000℃高溫、45MPa高壓工況下運行，所以作為保證鍋爐給水泵軸向力平衡的平衡鼓零件，其機加工質(zhì)量顯得特別重要，其質(zhì)量好壞會直接影響到泵可靠性和安全性[1,2]。本稿以特定的平衡鼓為例，討論其制造工藝、刀具選擇，進行數(shù)控加工程序編制。

1 平衡鼓零件分析

1.1 平衡鼓零件結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求分析

圖1所示零件為鍋爐給水泵上使用的一種常用規(guī)格的平衡鼓零件，尺寸d1在右端，d3在左端，中間的端面作為d2。由圖可知，1）平衡鼓兩端內(nèi)孔精度要求較高，其內(nèi)孔尺寸精度等級為IT6級，表面粗糙度為Ra1.6μm；2）平衡鼓的外圓公差為0/～0.02mm，精度等級IT4～5級，且相對內(nèi)孔有很高位置度要求；3）左右兩端外圓之間有一密封端面，該平面的垂直度、平面度、粗糙度要求均很高，其粗糙度Ra0.8μm；跳動值小于0.02mm；4）在左右兩端外圓表面，布滿不同節(jié)距、不同深度的節(jié)流槽，每個節(jié)流槽的寬度和深度有公差要求，槽底部有斜度，且用圓弧光滑連接。這些節(jié)流槽加工繁瑣，同時對其加工裝夾帶來困難。

圖1 平衡鼓零件圖

1.2 平衡鼓零件材料分析

該平衡鼓零件材料為與美國牌號17-4PH有同等性能的0Cr17Ni4Cu4Nb。該鋼是在Cr17型不銹鋼基礎(chǔ)上加入Cu、Ni、Nb等強化元素研制的一種馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，強度高，硬度特高，熱處理硬度HB≥375，幾乎達到普通鋼的2倍[3]。

平衡鼓對材料的力學(xué)性能等要求較高，故采用鍛件毛坯。但由于制造成本等原因，此次毛坯制造形式采用了自由鍛形式，所以毛坯精度較低，余量較大[3]。

2 加工工藝方案

由于材料的特殊性和各平面位置精度及粗糙度等級的要求，對尺寸比較難控制，所以粗車外形和內(nèi)孔后不直接進行精車，而是增加了半精加工，增加了二次裝夾，這有利于減小切屑溫度及切屑應(yīng)力，保證零件尺寸精度。

針對較大毛坯余量問題，在鍛造后熱處理前，安排剝皮加工去除表面缺陷，保證鍛件熱處理后的材料性能，使后道工序加工余量合適[4]。以數(shù)控精車[4]作為最終機械加工，并在精車后安排無損檢測。具體加工路線如表1所示。

另外，為保證加工質(zhì)量，在工藝上作如下處理：

1）d1、d2二檔IT5級精度外圓加工，除了選用合適的刀具和切削用量外，還用經(jīng)驗法即在最后精車時采用程序單段進給，試切削一小段外圓，然后中斷程序，退出刀具，進行測量，從而保證尺寸IT5級加工精度。其余IT6級尺寸精度靠機床保證。

2）左端Φ123.7+0.05內(nèi)孔和d1和d3臺階面的Ra0.8的表面粗糙度，在加工過程中，通過操作數(shù)控機床面板上的倍率開關(guān)，隨時改變切削用量來加以實現(xiàn)。

3）為了保證外圓、端面相對內(nèi)孔位置精度，安排精車d3外圓左端面和精車左端各階梯孔是在同一道工序內(nèi)加工，俗稱“一刀落”，保證位置精度在0.02mm內(nèi)；精車d1、d3的外圓和節(jié)流槽時，裝夾在專用塑料漲夾心軸上加工，保證跳動在0.02mm內(nèi)。

科技查新事實型數(shù)據(jù)應(yīng)用的重點是：基于數(shù)據(jù)庫圍繞查新人員或機構(gòu)、研究領(lǐng)域以及創(chuàng)新主題，開展數(shù)據(jù)的挖掘和信息統(tǒng)計分析服務(wù)，為政府決策提供參考，為科研人員的課題選擇提供信息服務(wù)。研究的側(cè)重點在于將科技查新數(shù)據(jù)應(yīng)用到企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研究中，從科技查新事實型數(shù)據(jù)庫來推演分析企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新活動，尤其是基于湖北省科技查新數(shù)據(jù)庫，從企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新出發(fā)，識別出全省的新興產(chǎn)業(yè)、前沿產(chǎn)業(yè)和重點產(chǎn)業(yè)，并通過關(guān)聯(lián)分析，找出技術(shù)創(chuàng)新、企業(yè)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級的痛點，精準推演政策需求，并通過實證研究，為科技企業(yè)培育工程的精準施策提供更有價值的參考。

4）平衡鼓的節(jié)流槽在普通機床上加工時，操作者對平衡鼓不同外形尺寸都要精確計算，非常繁瑣，加工時不僅效率低，耗用工時多，精度低，且很容易產(chǎn)生報廢。利用數(shù)控參數(shù)法編制節(jié)流槽加工程序，避免了這一缺陷，且精度較高，圓弧與直線光滑連接，表面粗糙度好，具體數(shù)控加工程序如表2所示。

用上述程序，若采用程序調(diào)用或共享，可加工不同索引號平衡鼓的節(jié)流槽，達到加工成組化、批量化生產(chǎn)，加工效率比普通車床加工得到大大提高。

5）在加工中充分利用冷卻液冷卻，盡量減小因材料熱脹冷縮對零件尺寸精度的影響，并提高加工表面粗糙度。

3 數(shù)控車刀具及其幾何參數(shù)確定

3.1 數(shù)控車刀具選用

數(shù)控機床與普通機床相比，對刀具提出了更高的要求，不僅要精度高，剛性好，裝夾調(diào)整方便，而且要求切削性能強，耐用度高，為了減少換刀時間和方便對刀，選用可轉(zhuǎn)位機夾車刀。由于0Cr17Ni4Cu4Nb屬于難加工材料，同時考慮到經(jīng)濟性，選擇采用涂層硬質(zhì)合金刀具[5,6]，各種刀具的選用情況如下：

表1 平衡鼓制造機械加工工藝過程

表2 節(jié)流槽數(shù)控加工程序

1）端面刀具：可轉(zhuǎn)位45°偏刀，刀片90°正方形刀片，型號SNMG160608；

2）外圓刀具：可轉(zhuǎn)位93°偏刀，刀片80°菱形刀片，型號為CCMG160608刀尖半徑R=0.8半精車和精車刀片型號CCMG160604；

3）內(nèi)孔刀具：可轉(zhuǎn)位93°內(nèi)孔鏜刀，刀片60°三角形刀片，型號TCMG160608刀尖半徑R=0.8半精車和精車刀片型號TCMG160604；

4）內(nèi)孔切槽刀：可轉(zhuǎn)位90°內(nèi)孔槽刀，90°長方形刀片，型號LCMR060608；

5）端面切槽刀：可轉(zhuǎn)位90°平面槽刀，90°長方形刀片，型號LCMR060608；

根據(jù)以上刀具選擇，制定數(shù)控刀具卡片如表3所示。

表3 平衡鼓數(shù)控加工刀具

3.2 刀具幾何參數(shù)確定

合理選擇刀具參數(shù)是改善加工0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化型高強度不銹鋼切削性能的主要途徑[5,6]。具體選擇過程如下：

1）前角：實驗表明采用正前角加工高硬度淬火鋼容易發(fā)生崩刃現(xiàn)象，采用負前角雖解決了崩刃問題，但角度越大背向力也越大，降低加工精度，經(jīng)查閱資料和經(jīng)驗分析取γ0=2°～-2°；

2）后角：后角數(shù)值與前角有一定內(nèi)在關(guān)系，為改善切削刃切入工件的條件，減小后面的摩擦，提高刀具壽命，后角宜取較大值，因節(jié)流槽一次加工完成，沒有粗精車之分，所以取α0=15°；

3）主偏角：根據(jù)節(jié)流槽的外形，加以考慮刀尖強度，改善散熱條件，取κr=93°；

4）副偏角：根據(jù)節(jié)流槽的角度，并加以考慮干涉面，取κr’=35°；

5）刃傾角：為增強刀尖強度，常取負刃傾角λs=0°～-10°，考慮切削刃的鋒利程度和切入性能試驗，取λs=5～10°；

6）刀尖圓弧半徑：根據(jù)節(jié)流槽的圓弧半徑，取γε=0.2。

4 結(jié)束語

在分析鍋爐給水泵平衡鼓零件結(jié)構(gòu)、材料特點的基礎(chǔ)上，確定了0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化型不銹鋼平衡鼓零件的加工工藝路線，并根據(jù)零件加工精度和表面質(zhì)量要求，選擇確定了數(shù)控車削加工方法及其刀具，同時還進行了節(jié)流槽數(shù)控車削加工程序的參數(shù)化編程。

采用數(shù)控加工手段加工平衡鼓零件上大小尺寸不一、精度要求高的節(jié)流槽，提出了采用程序調(diào)用或共

【】【】享，解決同類零件加工難題，達到加工成組化、批量化的方案。

本方案克服了用普通方法加工平衡鼓零件生產(chǎn)效率低、廢品率高、加工精度差等問題，對提高鍋爐給水泵的質(zhì)量和產(chǎn)量具有重要意義。

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