密封外套零件高效加工工藝研究

趙爍

摘? 要：本文以某重點型號機密封外套零件高效加工為中心，集中筆墨從數控機床以及硬質合金刀具的應用、電加工參數優化、刀具國產化等幾個方面入手，論述了高溫合金實現真正意義上的高效加工——優質、高效、低耗加工的工藝方案設計、驗證和取得的實效。

關鍵詞：高效加工;高溫合金;陶瓷刀片;刀具國產化

中圖分類號：TG50? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

密封外套類零件是重點型號發動機上的重要轉動部件。該類零件通常為薄壁環形零件，配合止口處尺寸最薄，只有2mm。零件整體結構復雜，在零件左端端面處分布有12處端面槽，在零件右端有多處與回轉軸線呈60°夾角的深腔斜槽，斜槽、花邊槽分別與端面孔、螺紋孔有嚴格的角向位置關系。零件材料為難加工材料鎳基變形高溫合金GH4169，這種材料的切削性差，切削變形量大，切削壓力大，切削時切削溫度較高，刀具極易磨損，表面質量和尺寸精度難以保證。

零件原有的加工路線均是按照普通設備設計完成，需要30幾道工序，生產準備時間、生產周期均較長，細車、精車工序也是在普通設備上應用普通焊接車刀加工而成，加工效率低、加工變形大、尺寸精度及技術條件不易保證。后續的銑加工工序均采用進口合金刀具加工而成，刀具消耗1500元/件。12處端面深腔斜槽需采用電火花成型設備加工，加工效率低，繼續工藝改進來提高該類零件的加工周期及加工效率。

1 工藝現狀分析

1.1 提高車、銑加工效率低

原有加工路線入下：

粗車第一面→粗車第二面→細車端面外圓→車裝夾基準面→半精車外圓→車工藝臺→精車大頭內孔→精車大頭外圓→劃線→銑窩→去毛刺→鉆孔12-φ6.5→去毛刺→銑花邊→鉆孔3-φ5.08→攻絲→去毛刺→锪倒角。

在密封外套的加工過程中，零件反復、多次的重復裝夾定位，內外型面與工藝基準均不是一次加工而成，零件尺寸及各技術條件難以保證。零件反復、多次裝夾定位，使得生產準備時間、工序間周轉等待時間過長，生產管理成本大。因此，需集中加工工序，采用數控設備，以實現工序集中，提高零件的加工精度及加工效率。

1.2 采用焊接車刀加工效率低

GH4169材料與普通鋼件材料相比，其機械加工性能差，屬難加工的材料，切削過程中需要消耗更多的能量，加工的主要特點如下。

（1）切削力大：高溫合金的切削力為普通碳鋼材料的兩倍以上。

（2）切削溫度高：切削高溫合金的過程中，變形抗力大，刀面與切屑和工件間的摩擦劇烈，單位切削功率大，消耗的功率多，產生切削熱量大。

（3）刀具磨損劇烈：由于切削溫度高，材料硬度高，黏結磨損現象嚴重，產生積屑瘤和棱刺，磨損刀具。

由于以上的諸多原因的影響，普通焊接車刀在加工難加工材料GH4169時，加工效率低，刀具磨損嚴重，因此應優先選擇具有高的抗氧化性、耐磨性的刀片材料。

1.3 電加工12處斜槽

由于電火花蜂窩磨設備沒有專業系統，不能提供可供選擇的電參數配合，人工設定的加工參數不夠優化，加工時間為8h/件，加工周期大，影響零件交付節點。因此，需增大并優化電加工參數，以提高加工效率。

1.4 優化銑加工刀具

需通過加工試驗，選擇適宜的國產化刀具，以降低零件在加工過程中的切削成本。綜合以上各種情況進行分析，可分別從數控機床、陶瓷硬質合金刀片的應用、電加工參數的優化、以及刀具國產化等方面對零件進行高效、優質、低耗加工的工藝研究。

2 高效加工方案設計與驗證

2.1 數控機床的應用

改變傳統的普通車、銑加工方法，在TUR30、TU30等數控車床、加工中心上，實現密封環零件的半精加工、精加工、銑削加工等工序的集中，調整后加工路線如下：

粗車第一面→粗車第二面→車裝夾基準→半精車外圓、內孔→車大頭內孔外圓→銑花邊、鉆孔、锪倒角→去毛刺→攻絲→去毛刺。

經密封環零件的加工驗證，在加工中心上一次裝夾，可完成銑花邊、鉆孔、銑槽、锪倒角等全部銑加工的工作內容。改進后每件零件減少加工時間19h，減少生產準備時間6h，提高加工效率2.5倍以上。

2.2 采用機夾刀具實現高效加工

零件外圓型面的特殊結構，決定了該零件在半精車工序的加工過程中必須先去除大部分的加工余量，以確保零件在精車工序中的加工余量降低、加工變形量小。陶瓷材料的機加刀具，通常具有高硬度、良好的耐磨性能、耐熱性、化學穩定性優良、并且不易與其他金屬材料產生黏結等特點，適宜GH4169這種鎳基高溫合金材料的大余量切削加工。

在加工過程中，我們選用肯納的陶瓷刀具對零件進行加工驗證，該類型的刀片刃口處的耐磨性能好，抗機械沖擊力優良，在加工試驗的過程中，轉速115rpm、進給量0.2mm/r、切削深度為1mm。去除零件外圓的大部分余量僅用了35min，材料移除率為16cm3/min ，零件的加工效率提高了5倍以上，并且各型面尺寸精度高、表面質量好。

密封外套的內孔型面及外圓型面在精車試驗過程中，均采用伊斯卡的硬質合金刀片來完成零件的加工驗證。適宜轉速為70rpm、進給量0.12mm/r、切削深度0.4mm，用時分別為40min、60min。該加工參數與零件在普通車床上使用普通焊接車刀加工相比較，加工效率分別提高了1.3倍和1倍以上。

2.3 優化電加工參數

電加工生產率是指在單位時間內工件的蝕除量，可用公式表示Vw=Ka feWU表示。其中Ka與加工條件有關的系數，fe脈沖放電頻率，WU單個脈沖能量?？梢?，提高電加工效率途徑在于提高單個脈沖能量、脈沖頻率和加工系數。

2.3.1 提高單個脈沖能量

所謂提高單個脈沖能量，就是指在電加工過程中，提高脈沖電壓、電流，改善放電波形。通過調整電加工參數，將脈沖寬度由250μs提高到300μs，低壓電流10.0A提高到13.0A，高壓電流0.5A提高到1.0A，包絡寬度0μs提高到2000μs，包絡停歇提高到1000μs。

2.3.2 提高放電頻率

所謂提高放電頻率，就是指壓縮脈沖停歇的時間。但如果脈沖停歇時間過短，就會使工作液來不及抵消電離而恢復絕緣，導致連續的電弧放電，從而破壞放電過程。所以必須注意選擇適當的脈沖寬度與停歇時間的比值，即選擇合適的脈寬比。

通過調整脈寬比，將脈沖寬度250μs調整為300μs、脈沖停歇? 200μs調整為100μs。

2.3.3 提高加工系數

包括合理選擇電極材料、工作液等，以改善加工條件。我們沿用紫銅成型電極和煤油作為工作介質。

2.3.4 加大電參數

考慮到成型電極加工過程中放電面積逐漸變大，由底平面放電，變為底平面、兩側面和后斜面同時放電，脈沖寬度和電流應隨之變大，以提高加工效率。

經過反復的加工驗證，制定了最終的參數方案見表1和表2。

表1 Z由正值降至-3的區間內

脈沖寬度 250μs 抬刀高度 1.0mm 脈沖停歇 100μs

抬刀間隔 2.0s 包絡寬度 2000μs 抬刀速度 中速

包絡停歇 1000μs 伺服靈敏 4 低壓電流 10.0A

伺服給定 72% 高壓電流 0.5A 平動方式 自動

表2 Z由-2降至-9的區間內

脈沖寬度 300μs 抬刀高度 1.0mm 脈沖停歇 100μs

抬刀間隔 2.0s 包絡寬度 2000μs 抬刀速度 中速

包絡停歇 1000μs 伺服靈敏 4 低壓電流 13.0A

伺服給定 72% 高壓電流 1.0A 平動方式 自動

在增大電加工參數的同時，必須調整成型電極的尺寸，以適應增大的放電間隙，加工出合格零件，經加工試驗，將電極寬度由11.55mm～11.65mm改為11.5+0.05

0mm為最佳。最終4h加工出合格零件，節省加工時間4h/件，加工效率提高1倍。

參考文獻

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[2]周旭光.線切割及電火花編程與操作實訓教程[M].北京：清華大學出版社，2006.