大口徑超長薄壁筒類開槽零件防變形加工技術(shù)*

邱家敏 林安欣 李曉春 葉 蓉

(內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司,內(nèi)蒙古 包頭014030)

公司承擔(dān)的某大口徑發(fā)射性能試驗(yàn)裝置,外形尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其關(guān)鍵部件駐退機(jī)筒在設(shè)計(jì)上將傳統(tǒng)的內(nèi)孔壁溝槽式一體筒式結(jié)構(gòu),改進(jìn)為由制退筒(見圖1)、調(diào)節(jié)筒(見圖2)兩個(gè)筒體零件分別加工后裝配在一起結(jié)構(gòu)。其中的調(diào)節(jié)筒為大口徑、薄壁筒形結(jié)構(gòu),沿圓周方向均布上四條長2810mm、寬度一端為200 mm、另一端為半徑20 mm的變截面槽,將其套裝在制退筒內(nèi),裝配后形成變截面槽駐退機(jī)筒(見圖3),通過變截面槽控制駐退機(jī)的活塞液體流量。由于調(diào)節(jié)筒的特殊結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其剛性不足,在開槽加工過程易產(chǎn)生加工變形。

圖1 制退筒3D模型

圖2 調(diào)節(jié)筒3D模型

圖3 駐退筒裝配3D圖

2 大口徑薄壁調(diào)節(jié)筒開槽的加工

針對調(diào)節(jié)筒材料為高強(qiáng)韌炮鋼,總長度為3936mm,材料去除量大情況,同時(shí)其內(nèi)孔φ577H9、外圓φ618.5h10、壁厚20 mm,設(shè)計(jì)要求圓度公差0.05mm、內(nèi)孔與外圓同軸度φ0.03mm,尺寸公差和形位公差精度要求高。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研和查閱相關(guān)資料后分析,此類零件加工過程中,由于零件口徑大,壁厚薄,四條圓周均布變截面槽在加工過程中,存在調(diào)節(jié)筒剛性不足,易產(chǎn)生加工變形,其尺寸精度和形位公差難保證的突出問題。

分析調(diào)節(jié)筒的結(jié)構(gòu)工藝特點(diǎn),控制加工變形為保證加工質(zhì)量的關(guān)鍵。因此,需設(shè)計(jì)制作專用輔具提高調(diào)節(jié)筒加工過程中的剛性,選擇合理的刀具、切削參數(shù)及刀具路徑以減少加工變形。同時(shí),在加工變截面槽前,對調(diào)節(jié)筒進(jìn)行回火熱處理工序,更好地消除加工前零件的殘余應(yīng)力,保證加工質(zhì)量,滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1 調(diào)節(jié)筒內(nèi)、外圓加工

零件毛坯為大型鍛件,采用鍛件在重型車床和深孔鏜床上進(jìn)行粗加工,調(diào)質(zhì)熱處理后轉(zhuǎn)機(jī)加車間進(jìn)行加工的工藝流程。機(jī)械加工采用加工工藝方法為:

a.內(nèi)孔、外圓交替加工工藝方法;

b.內(nèi)外圓互為基準(zhǔn),多工序裝夾逐漸去除加工余量,保證外圓、內(nèi)孔尺寸精度及圓度、同軸度等形位公差要求;

c.內(nèi)孔加工在深孔鏜床上完成,設(shè)計(jì)制作專用深孔擴(kuò)鏜刀體和機(jī)夾硬質(zhì)合金鏜刀頭(見圖4),而在精鏜時(shí)鏜刀體采用大主偏角高效防震超大孔徑深孔可調(diào)式浮動(dòng)鏜刀;

d.裝夾方式采用以外圓作為基準(zhǔn),環(huán)形架裝夾,外圓找正在φ0.02mm之內(nèi),開始鏜削加工;

e.排屑方式采用外排屑方式、冷卻充分;

f.形位公差采用多工序推鏜擴(kuò)孔至φ577H9,每個(gè)鏜削工序要求保證圓度0.05mm及內(nèi)外圓同軸度φ0.03mm等工藝要求。

圖4 深孔鏜刀

分析調(diào)節(jié)筒的結(jié)構(gòu)工藝特點(diǎn),外圓加工在數(shù)控車床上完成時(shí),為盡最大可能減少車削過程徑向力以減少,控制調(diào)節(jié)筒的變形,選用90°主偏角機(jī)夾刀體及刀片(見圖5);設(shè)計(jì)制作專用頂盤(見圖6),用于車削過程車床尾座端頂緊調(diào)節(jié)筒,車削過程采用一端四爪夾盤夾緊、另一端頂盤頂緊方式夾緊,內(nèi)孔為基準(zhǔn)深孔擴(kuò)鏜刀體和機(jī)夾硬質(zhì)合金鏜刀頭(見圖4),以外圓作為工藝基準(zhǔn),并多工序車削至外圓φ618.5h10,每個(gè)車削工序要求保證圓度0.05mm及內(nèi)外圓同軸度φ0.03mm等工藝要求。

圖5 車刀 圖6 車用頂盤

另外,為減少零件變形,在粗加工和精加工之間安排一次回火熱處理工序。針對調(diào)節(jié)筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),將回火溫度確定為480±10℃,保溫時(shí)間3.5h±1h,使零件機(jī)加殘余應(yīng)力在精加工前釋放充分,降低精加工變形,同時(shí)為了將回火前的加工余量控制在最小狀態(tài)單邊1.5mm～2mm,減少后續(xù)機(jī)加時(shí)機(jī)加應(yīng)力的累積以消除零件加工應(yīng)力,便于更好地控制加工變形,以保證調(diào)節(jié)筒的實(shí)物加工質(zhì)量。

2.2 調(diào)節(jié)筒銑削變截面槽加工

調(diào)節(jié)筒為大尺寸薄壁筒體類結(jié)構(gòu),剛性差,易產(chǎn)生裝夾變形,而薄壁上均布的四個(gè)變截面槽加工,材料去除量大,筒體加工后成部分鏤空結(jié)構(gòu),進(jìn)一步增大加工變形。在制定加工工藝方案時(shí),需重點(diǎn)考慮減少裝夾和加工變形,保證筒體加工后的形位精度。

2.2.1 裝夾控制變形方案

調(diào)節(jié)筒變截面槽通過銑削加工完成,由于外形尺寸大,采用在數(shù)控臥式鏜銑床上進(jìn)行加工。為避免夾具干涉變截面槽通常的銑削,裝夾部位設(shè)置在調(diào)節(jié)筒的兩端,設(shè)計(jì)制作三個(gè)專用弧形墊鐵(見圖7),分別支撐在調(diào)節(jié)筒的兩端頭和中間部位,而在兩端頭通過螺釘壓板壓緊零件。為增加兩端頭的剛性,設(shè)計(jì)制作兩個(gè)圓環(huán)輔具(見圖8),裝在調(diào)節(jié)筒兩端孔內(nèi),以增強(qiáng)零件剛度,防止壓板壓緊而導(dǎo)致的零件變形。調(diào)節(jié)筒通過弧形墊鐵、圓環(huán)輔具及螺釘壓板水平位裝夾在數(shù)控臥式鏜銑床的工作臺面上(見圖9),移動(dòng)機(jī)床立柱通過百分表找正后即可加工。

2.2.2 銑削加工控制變形方案

調(diào)節(jié)筒的四個(gè)變截面槽沿圓周方向均布,每個(gè)相鄰槽的中心線間隔90°,利用數(shù)控臥式鏜銑床的主軸裝刀具和滑枕端面加裝90°直角銑頭,可分別完成裝夾在垂直位置和水平位置的各兩個(gè)變截面槽的加工(見圖10),過程中需要將零件旋轉(zhuǎn)180°后重新夾緊。因此,在加工前,需在零件圓周向劃出四個(gè)槽的中心線,保證重新裝夾后槽間的正確位置。

圖7 弧形墊鐵 圖8 圓環(huán)輔具

圖9 調(diào)節(jié)筒裝夾

圖10 變截面槽垂直位和水平位槽加工

為控制總長2810 mm的變截面槽加工由于剛性不足、應(yīng)力釋放而導(dǎo)致變形,銑削過程每個(gè)槽沿長度方向各保留寬度為50mm的四條拉筋,拉筋相隔距離分別為500、1050mm、1600mm、2150mm,待零件四個(gè)變截面槽加工完畢后再將拉筋去除(見圖11)。

圖11 變截面槽加工拉筋

為進(jìn)一步減少銑變截面槽加工導(dǎo)致零件變形,銑槽前,先在每個(gè)槽的四處拐角部位先鉆四個(gè)導(dǎo)引孔,銑刀從導(dǎo)引孔部位進(jìn)刀開始銑削,銑槽采用分層銑削的方式進(jìn)行。另外,考慮均勻分部應(yīng)力,圓周分布的四條槽子對稱銑削,即加工時(shí)先加裝角度銑頭銑削垂直位上端的槽,隨后零件旋轉(zhuǎn)90°重新裝夾,加工其軸向?qū)ΨQ的槽。然后,再卸下角度銑頭,加工處于水平位置的槽,隨后零件旋轉(zhuǎn)90°重新裝夾,加工其軸向?qū)ΨQ的槽(見圖12)。

圖12 變截面槽對稱加工

待四個(gè)方向的帶筋的變截面槽加工完成后,對零件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理,以消除殘余應(yīng)力,然后切除拉筋。在切除拉筋加工過程中,仍然采取分層切削的加工方法,先切除變截面槽最窄部位的拉筋(見圖13),過程中需要再次90°旋轉(zhuǎn)工件并重新裝夾,保證去除拉筋后零件變形最小。

圖13 切除變截面槽拉筋

調(diào)節(jié)筒加工完畢,在車床上通過打表來測量零件的圓度公差(見圖14),并利用千分尺進(jìn)行零件外圓的檢測。經(jīng)測量,調(diào)節(jié)筒尺寸精度及形位公差符合圖紙要求(見圖15)。

圖14 調(diào)節(jié)筒的檢測 圖15 加工完成的調(diào)節(jié)筒

3 試驗(yàn)結(jié)論

通過采用大口徑超長薄壁筒類開槽零件防變形加工技術(shù)研究的開展,經(jīng)過試驗(yàn),形成以下結(jié)論:所采用現(xiàn)有工藝方法和裝夾方式、專用工裝后,零件實(shí)現(xiàn)快速裝夾,無加工孔變形存在;

所采用的回火熱處理工藝參數(shù)能夠滿足回火時(shí)去除機(jī)加應(yīng)力要求;驗(yàn)證零件經(jīng)熱處理和機(jī)械加工后,屈服強(qiáng)度和材料硬度均符合設(shè)計(jì)要求;尺寸φ577H9,每個(gè)鏜削工序要求保證圓度0.05mm及內(nèi)外圓同軸度φ0.03mm加工精度滿足設(shè)計(jì)要求,一次合格率達(dá)100%,合使用要求。

4 結(jié)語

通過采用大口徑超長薄壁筒類開槽零件防變形加工技術(shù),針對此類零件開變截面槽零件易變形的技術(shù)問題,在裝夾、加工刀具及加工流程等方面等采取工藝措施,保證了零件的加工質(zhì)量,積累了一定的寶貴經(jīng)驗(yàn),保證了科研產(chǎn)品關(guān)鍵零件的順利產(chǎn)出,具有較大的推廣價(jià)值。