大直徑高精密管體零件的加工

上海電氣上重碾磨特裝設備有限公司 工藝研究所 上海 200245

1 加工要求

某科研項目中,大直徑高精密管體零件總長L為4 000～8 000 mm,主孔d尺寸為φ600+0.110mm,要求表面粗糙度Ra不大于0.8 μm,直線度不大于0.1 mm,管體對接處外肩圓c及內肩孔e與主孔d的同軸度不大于φ0.03 mm,兩端連接螺紋a與主孔d的同軸度不大于φ0.06 mm,管體外圓b與主孔d的同軸度不大于φ0.06 mm。管體零件如圖1所示。

2 工藝分析

大直徑高精密管體零件是某科研項目中的核心零件,采用合金調質鋼鍛件制造。這類零件的主要加工難點是主孔及外圓有較高的尺寸精度、同軸度及直線度要求[1-3],加工工藝流程為鍛造、粗加工、超聲探傷、熱處理、理化檢驗、半精加工、時效處理、精加工。根據此類零件加工余量大、精度高的特點,通過采用多道工序加工,并在精加工前進行時效處理等工藝手段消除內應力,排除材料方面的不利因素,從而提高零件的加工精度。

大直徑高精密管體零件整個加工工藝過程分為四個階段。

(1) 粗加工階段。需要保留合理的余量及本體試樣區,切除各表面較多的加工余量,為熱處理作準備。熱處理后取本體試樣進行理化檢驗,本體按標準進行超聲探傷檢查,以確保鍛件熱處理后的材料內在質量和理化性能符合要求。

圖1 大直徑高精密管體零件

(2) 半精加工階段。主要保證主孔、外圓、螺紋留有合適的精加工余量,并通過人工時效或低溫回火熱處理,最大程度消除前道工序產生的材料應力,防止精加工后零件變形超差。

(3) 精加工階段。關鍵是保證管體主孔d精鏜、珩磨、超精磨,以及外圓精車尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等指標符合設計要求,按先內后外的順序進行加工。

(4) 質量驗收階段。機床在線檢查尺寸精度,通過樣柱檢查主孔直線度,通過內窺鏡檢查主孔表面質量。

3 主孔加工

主孔作為外圓、螺紋及肩圓的加工基準及設計基準,其加工精度尤為重要。加工選用T2280深孔鏜機床,鏜削方式為推鏜,向前排削,由鏜桿尾端授油。鏜孔最大直徑為800 mm,最大深度為15 000 mm,設備配置磨頭紅外線在線測量裝置。按以下方案進行加工[4-5]。

(1) 遵循主孔、外圓互為基準原則,在粗加工、半精加工、精加工主孔前,在管體零件外圓先車削加工出同軸度小于φ0.05 mm的三段外圓E、D、F,如圖2所示,作為主孔加工的裝夾基準。同時車出導向孔,便于主孔加工時的找正。

(2) 主孔精加工前,外圓及兩端螺紋需要進行半精加工。在半精加工后進行時效處理,消除材料內應力,穩定管體零件的加工尺寸,從而提高加工精度。

圖2 主孔加工示意圖

(5) 通過模擬試驗,發現原加工工藝方案存在如下問題:距離出口端10 mm范圍內的主孔尺寸超差,其余指標滿足設計要求;管體水平放置進行樣柱通過性試驗時,由于重力作用使樣柱在非均勻接觸狀態下通過主孔,造成主孔部分表面劃傷。

(6) 根據模擬試驗結果,優化原加工工藝方案。主孔精加工前,出口端端面余量由原加工工藝方案的3 mm放大至15～20 mm,在主孔加工完成后,再將端面余量去除。采用端面余量增大的方法,可以解決出口端主孔尺寸超差問題。樣柱通過性試驗由原方案管體零件水平放置優化為豎直放置進行,可以解決樣柱通過主孔時非均勻接觸的問題。

4 外圓加工

外圓加工工藝與主孔類似,要進行粗加工、半精加工、精加工三個過程,每一個過程均是以主孔為基準進行加工。外圓的粗加工、半精加工采用常規加工方法,不再介紹。筆者重點討論精車外圓時,如何通過改進工藝裝備及精確找正主孔等方法,來確保外圓各部位精度達到設計要求[6-8]。

(1) 可調中心支撐改進[9]。管體零件外圓加工時,采用可調中心支撐約束管體零件的五個自由度,實現管體零件以頂夾方式裝夾的加工需求。可調中心支撐主要由支撐體、中心支撐、定位套、調整螺桿、支撐塊等部件組成,如圖4所示。為了保證主孔表面粗糙度及加工精度,對原可調中心支撐進行以下改進:① 支撐塊由原碳鋼材料改為黃銅材質制作,以避免劃傷管體零件表面,有效保護管體零件主孔表面質量;② 中心支撐體與支撐體在端面改用球面SR50 mm配合,可使中心孔位置作微量調整,保證在裝夾時嚴格按主孔找正的工藝要求。

圖3 主孔直線度檢驗

圖4 可調中心支撐

(2) 采用測厚儀測量壁厚,精確校正管體零件主孔軸線,完成管體零件的裝夾找正。當管體零件以頂夾方式裝夾加工時,為了保證外圓各部位尺寸與主孔高精度同軸度要求,加工前必須按已精磨后主孔的軸線找正,即校調管體零件主孔軸線與機床主軸回轉軸線同軸。用測厚儀測量管體零件兩端外圓壁厚,實現按主孔軸線找正的要求,方法如下:① 按管體零件主孔尺寸調整可調中心支撐的支撐塊,使其徑向尺寸與管體零件主孔尺寸一致,將可調中心支撐裝入后頂尖端的管體零件主孔;② 管體零件在車床上以頂夾方式裝夾,在后頂尖端及卡盤端,分別車一段溝槽G、H,如圖5所示;③ 在裝可調中心支撐的支撐點0°、90°、180°、270°位置時,使用測厚儀分別測量G及H外圓處壁厚,根據壁厚差值來校調管體零件主孔軸線的角度位移誤差和徑向位移誤差,實現按主孔軸線找正要求。

圖5 外圓加工示意圖

(3) 內外肩圓的加工。加工管體對接處的外肩圓c及內肩孔e時,采用一端用三爪卡盤夾緊,另一端用中心架支撐的定位裝夾方式加工。現有車床配備的中心架具有三個120°分體式螺桿調節定心,使用時往往依賴于操作人員的感覺。支撐管體零件的軸承中,最精密軸承的間隙約為0.02 mm。使用現有中心架支撐管體零件進行加工,要保證管體對接處外肩圓c及內肩孔e與主孔d的同軸度不大于φ0.03 mm的設計要求非常困難,因此,消除中心架上支撐軸承間隙,提高定心精度,是保證加工精度的關鍵[10]。

筆者對中心架進行結構改進,制作三塊支撐塊,如圖6所示,用于代替中心架上的三個軸承。支撐塊上設有長螺栓孔、油槽、支撐爪、定位鍵、油孔。定位鍵與中心架上的定位凹槽相配合,定位鍵斜面具有調整支撐塊徑向尺寸的功能,與所裝夾管體零件尺寸相適應,保證裝配精度。長螺栓孔用于裝配螺栓,使支撐塊固定于中心架上。支撐塊的支撐爪噴涂巴氏合金,并設置油槽,用于支撐管體零件。油槽與油孔相連,用于加工時加注高壓導軌油,起降溫、潤滑管體零件的作用,同時形成油膜支撐。

中心架按圖7所示進行改制,分別在三處120°安裝軸承方位處加工出與支撐塊相匹配的定位斜凹槽及長螺栓孔,將支撐塊與中心架用連接螺栓裝配為一體。采用改制后的中心架進行加工,精車外圓時,先精車一段用于中心架上支撐爪支承的基準外圓,要求與主孔d的同軸度小于φ0.01 mm,表面粗糙度Ra不大于0.8 μm。外圓精車后,可調中心支撐不用取出,與管體零件一體吊離機床。在機床導軌上架好中心架后,用頂夾定位方式再次裝夾管體零件。校調管體零件軸線與機床主軸回轉軸線同軸后,調整中心架下座兩個支撐爪,與管體零件基準外圓均勻接觸后鎖緊。再緊扣上蓋,調整位置合適后鎖緊。松開后頂尖,使管體零件在支承面上低速轉動,使支撐爪與管體零件基準外圓充分磨合,并不斷通過支撐塊上的油槽澆注高壓導軌油來降溫潤滑,形成油膜支撐,實現管體零件在三處120°支撐爪上與機床主軸同軸轉動。

支撐爪采用巴氏合金涂層,具有質地柔軟、強度低的特性。轉動管體零件可使支撐爪軟基體內凹,硬基體外凸,此特性使支撐塊與管體零件外圓間形成小間隙配合,減小摩擦。硬基體起支撐作用,有利于承重,可達到支撐塊與管體零件基準外圓無間隙的配合要求。改制后的中心架消除了原有支承軸承間隙所帶來的系統誤差,有效提高了定心精度。通過實際加工驗證,這一方法能有效確保管體對接處外肩圓c及內肩孔e與主孔d的同軸度不大于φ0.03 mm的加工精度要求。

圖6 支撐塊

5 結束語

筆者在大直徑高精密管體零件加工工藝方案制訂及實施過程中,嚴格控制管體零件關鍵工序的尺寸精度,并使用改進后的可調中心支撐和改制后的中心架,滿足管體零件加工時工裝與管體零件無間隙配合定位裝夾需求,提高裝夾定位精度。在找正時,采用測量壁厚校調管體零件主孔軸線與機床主軸同軸的方法,操作性強,可滿足精車外圓各部位尺寸精度與主孔高同軸度的設計要求。實踐驗證所介紹的加工工藝方案適用于大直徑高精密管體零件,滿足加工精度及設計精度要求,可保證管體零件制造過程中達到100%的合格率。