預應力鋼絲纏繞擠壓芯筒制造工藝研究

胡余平 曾中成 劉世彬 李春偉 李玖剛

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

擠壓筒是擠壓機的關鍵部件之一，通常采用H13、5CrNiMo、300M等熱作模具鋼，按其結構分為單層整體式擠壓筒、多層自預緊擠壓筒、鋼絲纏繞預應力擠壓筒三類。目前，大多采用多層襯套過盈熱裝組合式結構，且以三層最為常見，其制造技術成熟度高[1]。

預應力鋼絲纏繞擠壓筒技術是近年才研究開發(fā)的新型結構，相對于多層襯套過盈熱裝組合自預緊擠壓筒，鋼絲纏繞結構具有疲勞壽命高，承載能力強；結構尺寸緊湊，尺寸小，制造成本低；80℃下高溫蠕變小，壁厚對內(nèi)壓不敏感等優(yōu)點[2]。因此，在大噸位重型擠壓機關鍵零部件擠壓芯筒設計應用方面，預應力鋼絲纏繞技術擠壓筒具有明顯的優(yōu)勢，應用前景廣泛。

本文針對鋼絲纏繞預應力擠壓筒這一新型結構[3]，系統(tǒng)分析了擠壓筒的制造工藝流程、組合加工方法、關鍵工藝技術，該技術在32 MN靜液擠壓機芯筒制造項目中得到成功應用。

1 結構簡介

以公司制造的32 MN靜液擠壓筒為例，擠壓筒由芯筒、端蓋、擋板、擋圈、導套、鋼絲、保護套、剖分鍵等零件組成(見圖1)，零件最大長度1765 mm，最大截面?2150 mm，最小孔徑?150.5 mm，重約16 t。

圖1 鋼絲纏繞預應力擠壓筒結構示意圖Figure 1 Structural diagram of steel wire wound prestressed extrusion container

坯料盛裝在擠壓筒孔內(nèi)，坯料在擠壓工具的作用下與擠壓筒產(chǎn)生相對運動，擠壓筒在400～500℃高溫、250～1300 MPa高壓工況下頻繁工作[4-5]，內(nèi)孔的加工質(zhì)量對模具的使用壽命、擠壓制品的品質(zhì)有較大的影響。因此，這對擠壓筒內(nèi)孔的加工表面質(zhì)量、形位精度、尺寸精度提出了非常高的要求。

2 工藝方案

2.1 工藝分析

芯筒外圓纏繞預應力鋼絲，相當于在筒體上施加一個預加載荷，必將導致已加工的內(nèi)孔、端面及密封槽產(chǎn)生變形，孔徑縮小，端面傾斜，其變形情況見圖2。

圖2 纏繞鋼絲后的芯筒變形示意圖Figure 2 Schematic diagram of deformation of container after winding steel wire

因此，對于預應力組合芯筒類產(chǎn)品，若將芯筒內(nèi)孔加工符圖紙要求后再進行鋼絲纏繞，必將導致芯筒孔徑縮小、尺寸不均勻等重大質(zhì)量缺陷而無法使用，需要創(chuàng)新工藝技術方法，解決芯筒纏繞鋼絲后內(nèi)孔產(chǎn)生的變形。

從零件裝配結構、使用功能角度分析，結合設備制造能力及加工需求，采用預留加工余量裝配組合后再進行最終精加工的設計策略，以解決芯筒纏繞鋼絲后內(nèi)孔的變形問題，保證產(chǎn)品的最終使用功能要求。

2.2 技術路線

工藝技術路線的擬定是制定工藝過程的總體布局，其主要任務是確定各零件的工藝流程、關鍵工序節(jié)點、各個部位的加工順序以及整個工藝過程中的工序數(shù)目等，合理的工藝路線應具有加工方法易于實現(xiàn)、檢測方便，易于保證加工質(zhì)量、生產(chǎn)高效和制造成本經(jīng)濟等特點。

綜合分析擠壓芯筒的結構特征、加工方法及裝卡方式等，將芯筒、擋板、保護套、擋圈、端蓋、鋼絲、鍵、剖分鍵等零件(見圖3)組合為一個整體后，采用深孔機床磨削芯筒內(nèi)孔。

圖3 組合加工方案Figure 3 Combined machining scheme

根據(jù)擠壓筒芯筒工藝設計思路，綜合零件裝配及制造工藝需求，設計了總體制造工藝流程(見圖4)，具體加工要求如下：

圖4 擠壓芯筒制造工藝流程Figure 4 Manufacturing process flow of extrusion container

(1)芯筒兩端止口與?150.5 mm內(nèi)孔按同一尺寸加工留余量，長度左端面留裝配后加工余量，其余部位加工符圖紙要求。

(2)端蓋?160H8孔及小端端面留余量，孔內(nèi)密封環(huán)槽暫不加工，其余部位加工符圖紙要求。

(3)組合加工所需零件擋板、保護套、擋圈、剖分鍵、鍵等零件符圖紙要求。

(4)按工藝要求加工完芯筒后，按圖4裝配芯筒、擋板、擋圈、端蓋、鍵、剖分鍵等零件，軸向固定防止鋼絲竄動。

(5)采用扁銅鋼絲(1 mm×4 mm)按圖5所示張力要求在芯筒外圓纏繞鋼絲，合格后按圖3裝配保護套。

圖5 纏繞鋼絲張力變化示意圖Figure 5 Schematic diagram of tension change of wound steel wire

(6)深孔機床磨削芯筒?150.5 mm內(nèi)孔，數(shù)控落地鏜床鏜削加工?160H8止口、端面及密封槽。

3 芯筒加工

3.1 結構特征

芯筒材料為300M低合金超高強度鍛鋼件，總長1535 mm，外徑?280 mm，法蘭?320 mm×50 mm，最小內(nèi)徑?150.5 mm，長徑比達10.2，內(nèi)孔表面粗糙度達到鏡面Ra0.4 μm，外圓表面粗糙度Ra1.6 μm，見圖6。

圖6 芯筒結構示意圖Figure 6 Structural diagram of container

3.2 主要技術要求

(1)內(nèi)孔?150.5 mm、兩端?160H8止口均為纏繞鋼絲后尺寸；

(2)內(nèi)孔表面粗糙度Ra0.4 μm，外圓表面粗糙度Ra1.6 μm；

(3)端面?250H9×7.5+0.2×4.5-0.05密封槽為纏繞鋼絲后的尺寸。

3.3 關鍵工序余量設置

芯筒外圓纏繞高強度(其抗拉強度達2140 MPa)預應力鋼絲后，在超高預壓應力作用下內(nèi)孔發(fā)生彈塑性變形，孔徑縮小，長度自由伸縮，端面傾斜，表現(xiàn)為中間小兩端大的“喇叭”狀。

施加纏繞預應力后精加工內(nèi)孔，去除內(nèi)孔表面材料打破了原有應力平衡，應力重新分布必然導致已加工的內(nèi)孔尺寸精度及形位精度發(fā)生變化，這對加工精度的保持產(chǎn)生不利影響，加工余量越大，其影響也越大。因此，在滿足加工需求的情況下，加工余量越小越好，這就需要計算纏繞鋼絲后芯筒內(nèi)孔的收縮量，確定最佳的孔加工余量。

在精加工芯筒內(nèi)孔前，需獲得芯筒內(nèi)孔的精確變形量。為便于分析，將芯筒纏繞外圓分為五個截面，見圖7。

圖7 分段計算芯筒內(nèi)孔變形收縮量Figure 7 Deformation and shrinkage of inner hole of the container calculated in sections

應用有限元分析法模擬芯筒受力狀況，鋼絲纏繞層簡化成多層圓筒，最內(nèi)層與筒體、各鋼絲層間均設置合適過盈量來模擬筒體應力分布，如圖8所示。經(jīng)過計算分析，各截面應力分布和彈性收縮尺寸如表1所示。

圖8 預應力芯筒應力分布及收縮量Figure 8 Stress distribution and shrinkage of prestressed container

參數(shù)截面I截面II截面III截面IV截面V收縮量∕mm0.580.650.720.660.56

由表1可知，纏繞鋼絲后，芯筒內(nèi)孔最小收縮量為0.56 mm，在余量設計時需按正常的工藝余量減去0.56 mm。

查閱工藝余量手冊，結合生產(chǎn)現(xiàn)場實際，芯筒內(nèi)孔分粗磨、半精磨、精磨三個階段逐次加工，直徑留余量1 mm。

根據(jù)計算結果，預緊后孔的最小收縮量為0.56 mm，為確保芯筒纏繞預緊后的加工余量要求，確定芯筒纏繞鋼絲前內(nèi)孔直徑留余量0.45 mm。

3.4 加工方案

芯筒的加工分為三個階段：粗加工階段、組裝前加工和組裝后加工。

(1)粗加工階段

粗加工階段是指調(diào)質(zhì)前的加工。按毛坯最大尺寸見光各外圓、端面及總長兩面，尺寸大于粗加工取樣圖尺寸，光達Ra3.2 μm。超聲檢測(UT)合格后采用深孔機床加工中心通孔，臥式車床加工外圓、法蘭及端面符粗加工取樣圖(見圖9)，加工合格后轉熱處理車間調(diào)質(zhì)。

圖9 芯筒粗加工取樣圖Figure 9 Sampling diagram of rough machining of container

由于材料具有硬度高、抗拉強度高等性能，加工非常困難，主要表現(xiàn)在切削力大、切削溫度高、加工硬化傾向嚴重、刀具磨損快、斷屑困難、切削變形大等方面，需要合理選擇刀具和切削參數(shù)。

粗車時選用抗沖擊性能、斷屑性能較好的涂層硬質(zhì)合金刀具，切削深度ap=1～2 mm，進給量f=0.15～0.4 mm/r，切削速度vc=2.5～3 m/s。

深孔加工時選用硬質(zhì)合金刀具，每齒切削深度ap=0.15～0.4 mm，切削液流量Q=450～600 L/min。

(2)組裝前加工

材料性能及超聲檢測(UT)合格后，進行組裝前的加工。加工的部位、工藝順序及余量分配，對后續(xù)加工的工藝方法、產(chǎn)品質(zhì)量、加工效率有很大的影響。

綜合考慮零件的結構、材料性能、工藝方法、設備資源等因素，設計思路如下：

1)采用深孔機床加工中心?150.5 mm孔，直徑留余量0.45 mm(纏繞鋼絲后內(nèi)徑收縮0.56 mm)。

2)以內(nèi)孔為基準，采用數(shù)控臥車加工總長左側端面，留余量1 mm，密封環(huán)槽暫不加工；加工外圓、法蘭、環(huán)槽及其余端面符圖紙要求。

3)數(shù)控龍門銑加工法蘭外圓上的槽符圖紙要求。

3.5 組合加工

組合加工是指按圖3組裝纏繞鋼絲后，形成一個整體組件精加工芯筒內(nèi)孔。

(1)加工方法分析

按工藝要求加工完芯筒、端蓋、擋板、擋圈、剖分鍵等零件，按圖3裝配后纏繞鋼絲，最后裝配連接套，組成一個裝配組件后精加工芯筒內(nèi)孔。

組裝為一個組件后，總長1645 mm，最大外徑?850 mm，重7.3 t，所加工的孔徑為?150.5 mm，表面粗糙度達鏡面Ra0.4 μm，長徑比達10.9，屬于深孔高精度加工。

針對該類孔的加工，其主要加工方法有三種：

方法一：車削加工

采用數(shù)控臥車兩次裝卡掉頭加工內(nèi)孔，珩磨頭珩磨或滾壓裝置滾壓內(nèi)孔降低表面粗糙度達Ra0.4 μm。

該方法存在的主要問題在于組合件之間存在一定的間隙，加工過程中易產(chǎn)生相對位移；刀桿懸伸過長，剛性差，加工過程中易產(chǎn)生震顫、波紋，表面粗糙度差，成中間小兩端大的“腰鼓狀”；掉頭加工找正困難，且加工過程中刀具磨損嚴重，易產(chǎn)生接刀臺；珩磨僅能降低孔的表面粗糙度，不能改善其形位精度。

方法二：鏜削加工

數(shù)控鏜床兩次裝卡掉頭加工內(nèi)孔，采用珩磨頭珩磨或滾壓裝置滾壓內(nèi)孔降低表面粗糙度達Ra0.4 μm。

該方法存在的主要問題在于鏜刀桿懸伸較長，剛性較差，撓度大，加工過程中易產(chǎn)生振紋、孔徑增大成腰鼓形；掉頭加工找正困難，加工過程中刀具磨損，中部形成接刀臺無法消除；珩磨或滾壓工藝僅能降低孔的表面粗糙度，不能改善其形位精度。

方法三：磨削加工

深孔機床一次裝卡，工件固定在機床V型支撐座上，以內(nèi)孔為基準找正，對稱點零對零，采用深孔磨削裝置磨削內(nèi)孔。

該方法的優(yōu)點在于一次裝卡實現(xiàn)內(nèi)孔的磨削精加工，不會產(chǎn)生接刀臺，易于保證孔的尺寸精度、直線度、圓柱度和表面粗糙度，且加工效率較高。

(2)方案比較

從工件的裝卡方式、裝卡次數(shù)、找正誤差、刀具系統(tǒng)剛性、精度控制、表面質(zhì)量、加工效率等方面分析工藝方法的合理性、經(jīng)濟性，見表2。

由表2可知，采用磨削加工工藝方法更科學合理，優(yōu)于車削、鏜削加工方法，易于控制芯筒的加工質(zhì)量，生產(chǎn)效率更高，因此選擇磨削加工方法加工芯筒內(nèi)孔，確保加工質(zhì)量。

表2 加工工藝方法對比Table 2 Comparison of machining processes

(3)加工精度控制

工件材料去除預應力再分布、工件裝卡及找正、磨削方法及參數(shù)等因素對零件的加工精度有較大的影響，需要從以下兩個方面進行控制：

1)選擇粒度較細的砂輪及研磨劑進行珩磨光整加工，精磨階段磨削深度0.005 mm以內(nèi)，保證內(nèi)孔的表面粗糙度達到鏡面。

2)工件固定在V型架上，以內(nèi)孔為基準對稱找正，允差≤0.03 mm，磨頭固定在鉆桿上，鉆桿的直線運動和旋轉運動實現(xiàn)磨削加工，控制芯筒內(nèi)孔的直線度<0.03 mm，圓柱度<0.03 mm。

4 加工實施

加工設備選用中小型深孔機床，V型架固定在機床導軌上，工件順放在V型架上固定，以工件內(nèi)孔為基準，按米字形對稱找正，對稱點的允許誤差≤0.03 mm，加工方法如下：

(1)選用粒度80#～120#的砂輪粗磨內(nèi)孔，直徑留余量0.2 mm，工作吃刀量ae=0.02～0.05 mm。

(3)根據(jù)工件材料和表面質(zhì)量，選用磨料為立方氮化硼(CBN)、粒度W20～W40、硬度偏軟、自銳性較好的珩磨砂輪或油石進行珩磨光整加工，達到鏡面Ra0.4 μm。

(4)珩磨工藝參數(shù)選擇：切削速度vc=15～28 m/s，往復速度va=10～25 m/min，珩磨時的工作壓力為0.3～0.6 MPa。

加工后的檢測數(shù)據(jù)見表3，檢測數(shù)據(jù)表明，芯筒內(nèi)孔各項加工精度指標均達到設計要求。

表3 芯筒內(nèi)孔檢驗數(shù)據(jù)Table 3 Inspection data of inner hole of container

5 結束語

加工工藝路線的選擇、合理的工藝方法、工序間余量設計對擠壓筒的加工質(zhì)量有很大的影響。采用科學合理的技術路線，擠壓芯筒的內(nèi)孔、端面及密封槽預留加工余量，其余部位加工符圖紙要求，組裝纏繞鋼絲后，采用深孔機床磨削內(nèi)孔，鏜床加工端面及密封槽的加工方法，保證了芯筒低表面粗糙度深孔的高效高品質(zhì)加工，達到鏡面Ra0.4 μm，直線度0.03 mm，圓柱度0.04 mm。與車削、鏜削加工相比，沒有振紋、接刀臺等影響表面質(zhì)量的加工缺陷，生產(chǎn)效率提高約30%～40%。