形狀不規(guī)則零件孔的加工技術(shù)探討

夏靖原 鄒 洋 李艷玲/沈陽(yáng)透平機(jī)械股份有限公司

0 引言

軸流壓縮機(jī)的靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中有一種叫連桿的零件，是調(diào)節(jié)中央機(jī)殼上500余個(gè)靜葉角度的連接零件[1]。中央機(jī)殼上靜葉角度調(diào)節(jié)的精準(zhǔn)度直接影響到機(jī)組內(nèi)介質(zhì)的流量[2]、影響到整個(gè)機(jī)組的性能和效率[3]，因此對(duì)調(diào)節(jié)靜葉的連接零件——連桿的加工精度有嚴(yán)格的要求[4]。如果在數(shù)控加工中心設(shè)備上進(jìn)行連桿零件關(guān)鍵連接孔的鉆鉸加工，可以保證加工精度滿(mǎn)足圖紙的要求；但由于一個(gè)靜葉連接一件連桿，每臺(tái)軸流壓縮機(jī)中使用的連桿零件需要500余件，連桿零件的加工效率和加工成本是加工過(guò)程中必須要重點(diǎn)考慮的因素。因此，在加工工藝流程中，考慮應(yīng)用普通鉆床、利用模具完成對(duì)連桿零件的關(guān)鍵連接孔的鉆鉸加工；模具的結(jié)構(gòu)和精度成為連桿零件加工能否滿(mǎn)足圖紙要求的關(guān)鍵[5]。

1 FV520B鋼高速銑削試驗(yàn)

壓縮機(jī)上的連桿零件結(jié)構(gòu)和形狀見(jiàn)圖1。

該零件的關(guān)鍵尺寸是對(duì)φ10H7 孔的位置精度要求，該尺寸精度直接關(guān)系到機(jī)殼上靜葉角度的調(diào)整精度[6],具體要求是：

圖1 連桿零件結(jié)構(gòu)形狀示意圖

①φ10H7 孔與φ20H7 扁孔的中心距達(dá)到70±0.1；

②φ10H7 孔與14.5H7 扁兩側(cè)邊的位置度達(dá)到0.1。

按照加工工序的安排，步驟如下：

第一步，零件外形全部按圖加工完成后，劃線(xiàn)，鉆φ14.5底孔；

第二步，在鉆好的φ14.5底孔的基礎(chǔ)上，在拉床拉削φ20H7和14.5H7扁孔，一次成型完成；

第三步，在鉆床利用鉆孔模具鉆鉸φ10H7孔。

每步工序完成連桿零件加工的結(jié)構(gòu)形狀見(jiàn)圖2。

圖2 連桿零件每步工序完成的結(jié)構(gòu)形狀示意圖

在上述工序安排的第三步中，應(yīng)用鉆床利用鉆孔模具鉆鉸φ10H7孔時(shí)，φ10H7孔的位置精準(zhǔn)度是完全依靠鉆孔模具[7]來(lái)保證的。此時(shí)，鉆孔模具需要依據(jù)產(chǎn)品圖紙的精度要求確定設(shè)計(jì)精度[8]。表面看，產(chǎn)品圖紙對(duì)φ10H7 孔的精度要求似乎并不高，公差值要求也不是很小，相應(yīng)的，對(duì)鉆孔模具的精度要求也不會(huì)很高。但理論分析與實(shí)際加工效果卻有較大的差異。

按照產(chǎn)品圖的精度要求作為鉆孔模具的設(shè)計(jì)要求，并適當(dāng)考慮加工的效率，原始設(shè)計(jì)鉆孔模具的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。

此鉆孔模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：

1）在連桿零件的φ20H7 值和14.5H7 值已經(jīng)準(zhǔn)確拉削完成的前提下，以連桿零件的φ20H7和14.5H7 做為鉆鉸φ10H7 孔時(shí)的定位基準(zhǔn)——鉆孔模具設(shè)置與連桿零件的φ20H7 和14.5H7 相配合的定位扁軸結(jié)構(gòu)；

圖3 鉆孔模具結(jié)構(gòu)示意圖

3）為便于連桿零件在鉆孔模具上鉆鉸孔時(shí)的裝拆操作，鉆模板設(shè)計(jì)成可拆卸式結(jié)構(gòu)，并利用兩個(gè)錐銷(xiāo)與底座聯(lián)接定位，以保證鉆模板位置的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性；

4）為適當(dāng)提高效率，同時(shí)設(shè)計(jì)兩個(gè)鉆孔位，一次裝夾可以同時(shí)鉆鉸兩個(gè)連桿零件。

理論上認(rèn)為，此鉆孔模具的結(jié)構(gòu)完全能滿(mǎn)足連桿零件的圖紙要求，但實(shí)際的鉆孔效果卻并不理想。

在鉆孔模具本身的結(jié)構(gòu)精度符合工裝設(shè)計(jì)圖紙的前提下，經(jīng)多次鉆孔試驗(yàn)，鉆鉸連桿零件的合格率只有60%～70%，遠(yuǎn)低于工藝要求的95%的合格率。其中，主要是φ 10H7 孔與14.5H7 兩側(cè)邊位置度0.1 的不合格率占比較大，數(shù)值的誤差也最大；其次是70±0.1的誤差。表1中的數(shù)據(jù)，是應(yīng)用原結(jié)構(gòu)鉆孔模具加工連桿零件完成后，在三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備測(cè)量的不合格連桿零件的具體數(shù)據(jù)值。

表1 原結(jié)構(gòu)鉆孔模具加工連桿零件測(cè)量數(shù)據(jù)值表

針對(duì)超差的數(shù)據(jù)，經(jīng)多方分析，問(wèn)題原因最直接的有以下兩點(diǎn)[9]：

1）70±0.1 的數(shù)值超差較小，經(jīng)測(cè)量最小值為69.86，超差0.04mm。分析原因：一是φ20孔與軸的配合間隙值直接影響70±0.1 值的大小；二是由于定位基準(zhǔn)φ20H7 與鉆孔板的鉆孔位置不在同一平面上，有60±0.15的高度差，鉆孔時(shí)，鉆頭對(duì)連桿零件有個(gè)向下的壓力，使得連桿零件的φ10H7孔端產(chǎn)生了向下“沉”的彈性變形，即60±0.15 的高度發(fā)生了彈性變??；鉆孔完成后，彈性變形又恢復(fù)原樣，但連桿零件形狀恢復(fù)后的70±0.1數(shù)值卻不能是鉆孔模具的數(shù)值了。因此造成了70±0.1值不符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

2）誤差較大的連桿零件φ10H7 孔與14.5H7兩側(cè)邊的位置度，相差的數(shù)值沒(méi)有明顯的規(guī)律性可循。分析認(rèn)為定位基準(zhǔn)14.5H7 的間隙對(duì)此現(xiàn)象的影響較大。φ20H7、14.5H7 雖然是定位基準(zhǔn)，但為保證連桿零件與鉆孔模具上定位軸的順利裝拆，連桿零件的φ20H7、14.5H7 孔與定位扁軸的φ20 直徑、扁14.5 的軸必須是間隙配合，14.5H7 的間隙值對(duì)此位置度有一定的影響，且70±0.1 的距離對(duì)此影響還有放大的作用，經(jīng)計(jì)算：14.5H7 的設(shè)計(jì)間隙值在0.006～0.035mm 之間，經(jīng)過(guò)孔距70±0.1 的放大，其位置度誤差在0.03～0.17mm 之間；如果14.5H7 定位基準(zhǔn)的間隙值再大于0.035mm，則產(chǎn)生的位置度誤差就更大了，例如表1中3#件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

為解決上述問(wèn)題，我們修改了鉆孔模具的結(jié)構(gòu)方案：

1）為解決70±0.1 的數(shù)值超差問(wèn)題，在鉆孔模具上增加對(duì)連桿零件的定位約束,增加了可調(diào)整高度的支撐點(diǎn)，如圖4 所示。在鉆鉸連桿零件φ10H7 孔時(shí)支撐在零件的懸空處，避免連桿零件可能產(chǎn)生的彈性變形。鉆孔模具調(diào)整高度的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 鉆孔模具調(diào)整高度結(jié)構(gòu)示意圖

2）為解決φ10H7 孔與14.5H7 兩側(cè)邊位置度相差較大的問(wèn)題，首先改進(jìn)了模具與連桿零件的配合方式，尤其控制與14.5H7 兩側(cè)邊的配合為小間隙配合；又在連桿零件的鉆孔模具上增加了側(cè)邊壓緊結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。此結(jié)構(gòu)可以控制和調(diào)整14.5 兩側(cè)邊的間隙量不會(huì)因連桿零件70mm 的距離和60mm 的高度而被放大，保證位置度在0.1mm 之內(nèi)[10]。鉆孔模具側(cè)邊壓緊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 鉆孔模具側(cè)邊壓緊結(jié)構(gòu)示意圖

鉆孔模具通過(guò)以上方案的結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，批量鉆鉸連桿零件的合格率可以達(dá)到96%以上，在整機(jī)試車(chē)運(yùn)行中，靜葉的調(diào)整滿(mǎn)足機(jī)組流場(chǎng)的分布要求[11]，達(dá)到工藝設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2 結(jié)論

在進(jìn)行不規(guī)則形狀零件的加工、尤其是批量生產(chǎn)的過(guò)程中，盡可能地應(yīng)用普通設(shè)備進(jìn)行零件的加工是降低制造成本的有效方案；為保證加工質(zhì)量，開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)加工過(guò)程中專(zhuān)用模具是工藝程序中必不可少的手段和步驟[12]。針對(duì)不規(guī)則形狀零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和嚴(yán)格的精度要求，模具的最佳設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與技術(shù)細(xì)節(jié)的處理[13]在模具的開(kāi)發(fā)過(guò)程中越來(lái)越突顯出來(lái)，并且需要開(kāi)發(fā)人員認(rèn)真研究探討與反復(fù)的實(shí)驗(yàn)認(rèn)證。上述鉆孔模具結(jié)構(gòu)的探討過(guò)程，就是不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、不斷在實(shí)踐中反復(fù)認(rèn)證的過(guò)程。

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