金屬碟形圈的加工工藝研究

□ 焉 嵩 □ 王 玥 □ 李小霞 □ 張振剛 □ 王 熹 □ 由文超

首都航天機(jī)械有限公司 北京 100076

1 研究背景

產(chǎn)品的研制周期和制造成本直接決定產(chǎn)品的市場競爭力,產(chǎn)品的市場競爭力是一個企業(yè)賴以生存的基礎(chǔ)。因此,產(chǎn)品加工工藝的經(jīng)濟(jì)性和適用性成為各方關(guān)注的重點(diǎn)。研究低成本、快速的加工工藝,成為提升產(chǎn)品市場競爭力的重要手段之一。

筆者以金屬碟形圈為加工對象,針對產(chǎn)品研制階段的任務(wù)需求和加工要求,通過對裝夾方法和加工流程進(jìn)行合理設(shè)計,提出采用數(shù)控車床一次裝夾完成金屬碟形圈加工,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小批量連續(xù)加工,降低制造成本。

2 產(chǎn)品介紹

金屬碟形圈是一種薄壁環(huán)形金屬密封件,材料為0Cr18Ni9不銹鋼,外徑為622 mm,內(nèi)徑為604 mm,高度為5.7 mm,如圖1所示。與文獻(xiàn)[1-2]中的金屬密封件不同,金屬碟形圈的橫截面更加復(fù)雜,輪廓尺寸小而多,圓柱段長度僅為0.3 mm,最大厚度僅為1.4 mm,壁很薄,徑向尺寸遠(yuǎn)大于軸向尺寸,兩者比值大于100。金屬碟形圈剛度低,加工時易發(fā)生翹曲變形,加工難度很大。

▲圖1 金屬碟形圈

3 加工工藝設(shè)計

3.1 裝夾方法

金屬碟形圈的橫截面尺寸小、剛度低,自身結(jié)構(gòu)中沒有合適的夾緊部位,無法直接裝夾。設(shè)計專用夾具輔助加工,是解決薄壁件難裝夾的常用方法[3-8],但是專用夾具設(shè)計和制造周期長、成本高,一旦產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)發(fā)生變更,專用夾具輕則返修,重則報廢,造成研制資源的極大浪費(fèi),與產(chǎn)品研制周期短、經(jīng)費(fèi)緊張的研制任務(wù)現(xiàn)狀不符。

為了適應(yīng)金屬碟形圈研制生產(chǎn)批量小和技術(shù)狀態(tài)多變等特點(diǎn),筆者采用在一次裝夾中完成金屬碟形圈的全部加工,并解決了難裝夾問題。通過對金屬碟形圈毛坯尺寸進(jìn)行合理設(shè)計,在夾持一端增設(shè)20～30 mm長的工藝夾頭,三爪卡盤的三爪撐在工藝夾頭的內(nèi)孔上,工藝夾頭端面與三爪緊貼,然后夾緊。裝夾方法如圖2所示。

▲圖2 裝夾方法

這一方法不需要借助專用夾具,實(shí)現(xiàn)了金屬碟形圈的直接加工,并且不受產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)更改的影響,成本低,適用性強(qiáng),適合金屬碟形圈的小批量研制。但是這一方法對金屬碟形圈的加工工藝設(shè)計提出了更高要求,必須合理設(shè)計加工流程來保證加工過程穩(wěn)定,達(dá)到加工批次尺寸一致的要求。

3.2 加工流程

數(shù)控機(jī)床具有加工能力強(qiáng)、精度高、效率高等優(yōu)點(diǎn),是解決產(chǎn)品小批量研制的有效途徑。

金屬碟形圈為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu),尺寸精度和表面質(zhì)量要求高,適合采用數(shù)控車床進(jìn)行車削加工。數(shù)控車床能夠完成多工步連續(xù)、自動加工,設(shè)備停機(jī)時間短,加工效率高。

金屬碟形圈的加工特征多,必須采用合適的切斷方法來實(shí)現(xiàn)金屬碟形圈與工藝夾頭之間的分離,這樣才能滿足一次裝夾完成全部加工的要求,由此提高了加工流程設(shè)計的難度。通過分析金屬蝶形圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工要求,筆者將金屬碟形圈的加工流程分為粗加工和精加工兩個階段,詳細(xì)加工流程見表1。為了保證精加工階段金屬碟形圈的剛度,筆者采用單邊預(yù)留0.5 mm加工余量的工藝狀態(tài)。

表1 金屬碟形圈加工流程

4 加工驗證

4.1 切斷試驗

切斷過程是金屬碟形圈加工流程中最不穩(wěn)定的一步,容易出現(xiàn)擠屑、振動等影響表面質(zhì)量的現(xiàn)象。通過分析金屬碟形圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),滿足金屬碟形圈切斷需求的加工內(nèi)容共有兩個,分別為精車外錐面或精車內(nèi)倒角。為了驗證加工流程設(shè)計的合理性和切斷過程的穩(wěn)定性,筆者針對上述兩個加工內(nèi)容分別進(jìn)行了加工驗證。

采用精車外錐面作為切斷方法,加工結(jié)果如圖3所示。加工結(jié)果顯示,在靠近切斷位置發(fā)生了擠屑,造成表面質(zhì)量不滿足要求,切斷過程不穩(wěn)定。經(jīng)分析,造成加工結(jié)果不滿足要求的原因是精車外錐面時切屑量較大且排屑條件較差。

▲圖3 精車外錐面加工結(jié)果

采用精車內(nèi)倒角作為切斷方法,加工結(jié)果如圖4所示。金屬碟形圈表面未見異常,表面質(zhì)量滿足要求,切斷過程比較穩(wěn)定。

▲圖4 精車內(nèi)倒角加工結(jié)果

因此,采用精車內(nèi)倒角作為金屬碟形圈數(shù)控加工的最后一個工序,加工流程設(shè)計比較合理。

4.2 切削用量

切削用量包括切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量。粗加工時,應(yīng)盡量保證較高的加工余量去除率。精加工時,應(yīng)保證加工精度和表面質(zhì)量要求[9]。切削用量還與切削力的大小和切削熱的產(chǎn)生量密切相關(guān),是薄壁件發(fā)生加工變形的主要影響因素。根據(jù)金屬碟形圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工藝流程和加工機(jī)床性能,選擇合適的切削用量,在保證質(zhì)量的前提下盡可能提高加工效率。金屬蝶形圈的切削用量見表2。

表2 金屬碟形圈切削用量

采用表2中的切削用量進(jìn)行一個批次金屬碟形圈的加工驗證,加工過程平穩(wěn),金屬碟形圈的加工精度和表面質(zhì)量均滿足設(shè)計要求。

另一方面,在加工過程中保持刀具鋒利、切削液充足,不僅能夠減小切削力,減少切削熱,而且可以有效延長刀具使用壽命,有利于提高產(chǎn)品加工精度和表面質(zhì)量。如果采用內(nèi)冷型刀具,那么加工效果會更好。

5 結(jié)束語

筆者通過對金屬碟形圈進(jìn)行結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析,采用增設(shè)工藝夾頭來直接夾持的方法,不需要專用夾具輔助,制造成本低,有效解決了金屬碟形圈的難裝夾問題,并且適用性強(qiáng)。采用數(shù)控車床一次裝夾完成加工,實(shí)現(xiàn)了金屬碟形圈的小批量連續(xù)加工,工藝高度集中,加工效率高。