大型數(shù)控強力旋壓機關(guān)鍵零件制造工藝研究＊

鄒小堤 黃 照 桂 林 張明慶 何毅斌

（武漢重型機床集團有限公司1） 武漢 430205） （武漢工程大學(xué)機電學(xué)院2） 武漢 430073）

（武漢理工大學(xué)智能制造與控制研究所3） 武漢 430063）

我國航空、航天、火箭、導(dǎo)彈、兵器等軍事工業(yè)和通用機械、汽車等民用工業(yè)正迅猛發(fā)展，對關(guān)鍵零部件的可靠性、穩(wěn)定性、耐疲勞性能的要求越來越苛刻．在這些關(guān)鍵零部件的加工過程中，采用旋壓加工制造工藝完成薄壁回轉(zhuǎn)體零件成形的優(yōu)勢越來越明顯，對旋壓技術(shù)和大型數(shù)控強力旋壓機床的需求越來越迫切．西方工業(yè)發(fā)達國家將此類設(shè)備列為戰(zhàn)略性物資嚴(yán)加管理，嚴(yán)禁向我國出口，因此，研制大直徑、大推力、全數(shù)控的旋壓機床，對滿足國內(nèi)軍用、民用的工業(yè)需求，推動我國旋壓加工技術(shù)的發(fā)展和打破國外對該技術(shù)的壟斷等都將具有非常重要的意義［1］．

本文針對我國航天領(lǐng)域亟須的大型數(shù)控強力旋壓機的關(guān)鍵零件的制造加工工藝進行研究．其加工對象是大型導(dǎo)彈發(fā)動機殼體、大型運載火箭、洲際導(dǎo)彈直筒段等典型薄壁回轉(zhuǎn)體零件的旋壓成形．加工零件成形壁厚為3mm、高度為3 000mm、收口壁厚公差±0．5mm、表面粗糙度Ra3．2μm．

1 大型數(shù)控旋壓機床國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

近20年來，由于科學(xué)技術(shù)的進步，旋壓成形加工技術(shù)無論在機床設(shè)計制造、基礎(chǔ)性理論、旋壓工藝，以及工程應(yīng)用研究等方面都獲得了創(chuàng)新性持續(xù)發(fā)展［2－5］，出現(xiàn)了許多新型高精度數(shù)控旋壓機床，目前旋壓機床的發(fā)展重點是系列化和標(biāo)準(zhǔn)化．美國、德國、日本、西班牙和加拿大等工業(yè)發(fā)達國，已生產(chǎn)出先進、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、系列化的數(shù)控旋壓設(shè)備，其旋壓工藝穩(wěn)定，產(chǎn)品規(guī)格品種齊全．這些旋壓設(shè)備已基本定型，應(yīng)用范圍廣泛．

世界著名的旋壓機床制造廠家德國LEIFELD公司的ST系列強力旋壓機床，功率強勁，適用于制造高精度薄壁空心筒形結(jié)構(gòu)件，能旋壓長度超過10m的工件，管／筒壁厚度最大可減少90% 以上；其新近推出的ST 650H9100－4RS，具有可變的成形加工長度、高的制造質(zhì)量、強的零件加工靈活性和低的生產(chǎn)成本，被加工零件的正向旋壓成形長度可達9m、反向旋壓成形長度可達13m以上，其最大軸向行程達9 100mm，可承載質(zhì)量達4t的工件．

美國制造的最大400t雙輪立式旋壓機，可對任意合金筒形件進行旋壓加工，對某些精密件收口壁厚公差可達±0．38mm，表面粗糙度Ra3．2μm．

日本東芝機械公司制造的高效率旋壓機將液壓仿真與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，熱加工旋壓成形各種形狀的高壓氣瓶．

目前，國際先進水平的大型數(shù)控強力旋壓機床，可旋壓加工最大直徑為6m的零件，旋輪施加壓力可高達到數(shù)百t．

我國的旋壓加工技術(shù)基本上始于20世紀(jì)60年代初，為了解決某些產(chǎn)品成形問題，部分軍工部門（主要是航空航天領(lǐng)域）開始應(yīng)用旋壓技術(shù)加工諸如飛機副油箱、發(fā)動機燃燒室等產(chǎn)品，開始采用自制的簡易旋壓設(shè)備加工產(chǎn)品．航空航天、兵器和機械制造部門先后研制了多臺旋壓設(shè)備，在一定程度上解決了某些關(guān)鍵零件的加工問題．北京航空制造工程研究所先后研制了PX系列普通旋壓機床和SY系列強力旋壓機床．隨后，北京有色金屬研究總院、北京航空航天大學(xué)、西安重型機械研究所、青海重型機床廠、福建機械科學(xué)研究院、長春兵器五十五所、武漢重型機床廠等單位也有旋壓設(shè)備問世．這些機床大多為簡單的機械或液壓仿形機床．

20世紀(jì)90年代之前，國產(chǎn)旋壓機床主要為基于液壓仿形技術(shù)為主，90年代之后才開始進行數(shù)字控制技術(shù)的旋壓機床開發(fā)研制，產(chǎn)品多為中小規(guī)格、中低檔范疇，在旋壓推力、回轉(zhuǎn)直徑、零件長度、控制精度、自動化水平和設(shè)備可靠性等許多方面與國際先進水平相比，都存在著較大差距，遠不能適應(yīng)我國國民經(jīng)濟發(fā)展和軍工事業(yè)發(fā)展的需要．特別是在基礎(chǔ)理論、旋壓工藝和工程技術(shù)應(yīng)用研究方面至今仍然是薄弱環(huán)節(jié)，這已成為影響我國高中檔數(shù)控旋壓設(shè)備使用效率和旋壓加工技術(shù)進一步推廣應(yīng)用的制約因素．

國內(nèi)旋壓設(shè)備經(jīng)過40多年的發(fā)展，設(shè)計水平和制造水平明顯提高．旋壓機床的品種逐漸趨于完備，涉及強力旋壓機床、普通旋壓機床、內(nèi)旋壓機床、熱旋壓機床、輪輻旋壓機床、皮帶輪旋壓機床、封頭旋壓機床以及其他的專用旋壓機床．隨著設(shè)計理念和方法的進步，國產(chǎn)旋壓設(shè)備具有良好的性價比，其精度和性能已基本接近國際先進水平．特別是國際化采購渠道的暢通，使國產(chǎn)旋壓機床具備了參與國際競爭的能力與水平．但在高檔大型數(shù)控強力旋壓機床設(shè)備設(shè)計制造、工程技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域與國際先進水平相比仍有較大差距，遠不能適應(yīng)我國國民經(jīng)濟發(fā)展和國防事業(yè)發(fā)展的迫切需求．

雖然近些年來我國陸續(xù)從國外引進了多臺數(shù)控旋壓機床，但多為小型旋壓機床（其加工直徑大多在650mm以下，單輪推力在300kN以下），無法滿足國內(nèi)航天、航空和兵器制造業(yè)用戶對能加工口徑大于800mm以上大型數(shù)控強力旋壓機床的迫切需求．

2 大型數(shù)控強力旋壓機床關(guān)鍵零件制造工藝研究

主軸作為大型數(shù)控強力旋壓機的核心部件，其加工精度將直接影響到機床的工作精度．由于這種機床的主軸屬于超長、超重、高精度、高硬度的軸類零件，如何保證其制造精度，是加工制造過程中的難點．

由于主軸的毛坯為鍛件，鍛造后毛坯的內(nèi)部存在大量鍛造內(nèi)應(yīng)力，若不及時消除，會對加工產(chǎn)生影響．因此，在制造工藝上安排主軸鍛造后進行正火處理，消除內(nèi)應(yīng)力，為機械加工作好準(zhǔn)備．

2.1 加工工藝制定

主軸的加工分為粗加工和精加工．根據(jù)主軸的結(jié)構(gòu)（見圖1）、特點、加工精度要求，在工件粗加工后、精加工之前，安排適當(dāng)?shù)臒崽幚砉ば颍行У叵ぜ臍堄鄳?yīng)力，以提高主軸的加工精度和尺寸穩(wěn)定性．主軸精加工時，在確定機床 、刀具、切削參數(shù)、工件的定位夾緊形式等方面都要以減小加工變形、保證加工質(zhì)量為前提，同時要兼顧加工效率．

圖1 旋壓機床主軸結(jié)構(gòu)

2.2 精加工技術(shù)工藝

車削和磨削加工是軸類零件主要的精加工方式．磨削加工主要用于難以切削的、高硬度材料的精加工．如淬硬鋼的精加工，車削加工通常主要用于軸類零件淬硬前的加工，但隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新型刀具材料不斷被運用在數(shù)控機床上，特別是數(shù)控車削上，數(shù)控硬車削（以車代磨）在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛．一般認(rèn)為淬硬鋼硬度達45HRC以上的車削加工即為硬車削．因此，該主軸的精加工方式有2種方案：方案一，硬車削；方案二，磨削．

方案一的加工特點是生產(chǎn)效率高、錐面編程加工方便，但是硬車削要求機床系統(tǒng)必須有足夠的剛性和精度，同時要求作為硬車削的刀具耐熱性和耐磨性要好．而且在實際運用中涉及到工件的裝卡、轉(zhuǎn)速及程序等問題，掌握不好，會嚴(yán)重影響加工效率和精度，特別是在深孔加工時，硬車削效果不好．

方案二的加工特點是操作簡單，加工精度高，且設(shè)備帶有自動修復(fù)砂輪裝置，加工質(zhì)量穩(wěn)定，但生產(chǎn)效率較低．

為了保證主軸淬火面的精度，綜合各方面因素，主軸的精加工方式選擇方案二．

2.3 加工環(huán)境

主軸的精加工安排在數(shù)控重型磨床上，該設(shè)備安裝在空調(diào)廠房內(nèi)，加工溫度、濕度恒定，周邊設(shè)備均為精加工設(shè)備，無強烈振源，設(shè)備帶有冷卻裝置，加工過程中進行冷卻，能減小加工過程中的熱變形，良好的加工環(huán)境保證了主軸的最終加工精度．

2.4 裝卡方式

精加工主軸的數(shù)控重型外圓磨床帶有內(nèi)磨頭附件，既可以磨削外圓，又可以磨削內(nèi)孔．由于主軸兩端的外圓需要磨削，因此不能選擇“夾－卡”方式．為此，在工藝上設(shè)計了2個工藝堵，一個緊固在主軸小頭端，用于機床卡夾，另一個置于主軸大頭端，用于機床尾座頂住工件；主軸中部架設(shè)中心架，防止主軸因自重變形．主軸外圓磨完后，尾座后移，取下大頭端的工藝堵，在尾座端上利用內(nèi)磨頭來磨削大頭端內(nèi)孔，在一次裝卡下完成主軸內(nèi)、外圓的精加工，避免因多次裝卡帶來的找正誤差，提高了主軸的加工精度．

2.5 制造加工工藝路線

1）備料、鍛造毛坯．

2）熱處理 正火，消除鍛造內(nèi)應(yīng)力（便于切削）．

3）劃線 劃找正線、小頭端中心孔線．

4）打中心孔 上鏜床，平端面打小頭端中心孔．

5）粗車 粗車各外圓及端面，在大頭端打引孔．

6）套料 按大頭端引孔套中心孔．

7）半精車 采用“一夾一頂”的定位－夾緊方式，車削各外圓、端面．

8）中熱處理 調(diào)質(zhì)．

9）半精車 半精車各外圓、端面、內(nèi)孔，留磨削余量．

10）鏜鉆 上鏜床，鉆各螺孔．

11）熱處理 外錐面硬度50～55HRC；內(nèi)孔硬度45～50HRC．

12）精磨 精磨各外圓、端面、錐面及內(nèi)孔至圖紙要求：外圓按工作臺內(nèi)孔實測尺寸配磨，保證過盈0．01～0．03mm；錐面與軸承配磨，接觸面積不少于85%．

13）精車 按螺母配車螺紋，按工藝螺紋環(huán)規(guī)配車螺紋．

14）鉗工 去毛刺，銳角倒鈍，涂防銹油，打工件號．

15）檢驗．

2.6 加工結(jié)果

通過對影響大型數(shù)控強力旋壓機關(guān)鍵零件加工精度各種因素的分析和解決方案的研究，在關(guān)鍵零件加工時，嚴(yán)格按照加工工藝的要求執(zhí)行，并控制檢測過程，得到關(guān)鍵零件的最終加工精度如下：主軸各外圓、內(nèi)孔的尺寸公差均在圖紙要求范圍之類，粗糙度均為Ra0．2～0．4μm，與中心軸線的同軸度為0．01～0．015mm，2處1∶12外錐面的跳動為0．012mm，與軸承涂色檢查，接觸面積為85%，各端面的跳動為0．01～0．013mm．

3 結(jié)束語

旋壓設(shè)備的制造應(yīng)與旋壓工藝密切結(jié)合，工藝需求是推動旋壓設(shè)備發(fā)展的源動力．我國航空航天、兵器事業(yè)的迅速發(fā)展，一些直徑越來越大、精度越來越高的薄壁回轉(zhuǎn)體零件的需求日益旺盛，這對旋壓設(shè)備的大型化提出了更高的要求．旋壓機的大型化發(fā)展趨勢又對其零件的機械加工提出了更大的挑戰(zhàn)，本項目研制的大型數(shù)控強力旋壓機關(guān)鍵零件的制造在這方面做出了有益的探索，取得了滿意的效果，獲得了寶貴而豐富的經(jīng)驗，為更大型旋壓機的制造提供了借鑒．

［1］吳立波，張治民．旋壓設(shè)備工藝研究［J］．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006，41（2）：25－27．

［2］王雅君，林春庭，李繼貞．大型立式強力旋壓機的研制［J］．航空制造技術(shù)，2011（17）：62－65．

［3］侯紅亮，余肖放，王耀奇．國內(nèi)旋壓設(shè)備及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀［J］．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009（4）：16－19．

［4］侯清海，王永軍，王俊彪，等．普通車床改造成數(shù)控旋壓機的關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．機床與液壓，2006（10）：233－235．

［5］王成和，劉克璋．旋壓技術(shù)［M］．北京：機械工業(yè)出版社，1986．