大型薄板類零件精車加工技術(shù)研究與應(yīng)用

姚青松 劉于路

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司,四川 德陽(yáng) 618000)

我公司承制的某大型零件見(jiàn)圖1,外徑?5210 mm,內(nèi)徑?3490 mm,厚度為86 mm,重量7935 kg,屬于薄板加工的范疇。零件材料為55鋼鍛件,上下兩端面平面度≤0.1 mm,平行度≤0.1 mm,內(nèi)外圓同軸度≤?0.3 mm,鏡板面粗糙度要求Ra0.8 μm,另一側(cè)端面粗糙度要求Ra1.6 μm。零件的剛性較我公司制造的其他產(chǎn)品要差,在吊運(yùn)、裝夾、加工過(guò)程中容易變形。本文針對(duì)大型薄板類零件立車車削精度控制問(wèn)題,重點(diǎn)從吊運(yùn)、加工、檢測(cè)等方面進(jìn)行研究,成功實(shí)現(xiàn)了該大型薄板類零件的高精度車削。文中介紹的精加工技術(shù)對(duì)于同類型薄板類零件車削加工具有一定的參考價(jià)值。

圖1 零件圖Figure 1 Diagram of part

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析

1.1 大型薄板類零件吊運(yùn)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析

常規(guī)的加工車間中少有涉及到大型薄板類零件的加工,國(guó)內(nèi)目前暫無(wú)關(guān)于大型薄板類零件吊運(yùn)的相關(guān)文獻(xiàn)資料,但有部分研究人員開(kāi)展了類似的研究。顧振業(yè)[1]研究借用人字式德里克扒桿的安裝方法吊運(yùn)方木和吊運(yùn)屋面板是早一時(shí)期關(guān)于起吊薄物件的范例,但是屋面板及方木為木質(zhì)結(jié)構(gòu),本文需吊運(yùn)的鋼類件,重量上與木質(zhì)件有區(qū)別。任芳勇等[2]介紹了兩端起吊鉤分別控制法、利用大小輪線速度差控制法等,成功實(shí)現(xiàn)了管類件的升降傾斜、翻滾吊運(yùn),但對(duì)于本文所研究的大型薄板類零件吊運(yùn)方法,有一些不同。

1.2 大型薄板類零件加工的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析

陳斌全[3]采用側(cè)擠壓楔塊夾緊方式,輔助一些工藝措施,多次人工時(shí)效、多次翻面互為基準(zhǔn),改善刀具切削角度,成功地在龍門(mén)刨床上加工了長(zhǎng)1090 mm、寬949 mm的不規(guī)則主墻板。張斌等[4]介紹了不同裝夾狀態(tài)下銑削加工后的薄板零件擾度分析,在薄板零件大平面增加支點(diǎn)的方式減少銑削的振動(dòng),加大冷卻液流量、更換冷卻液、變更刀具加工角度等方式減少熱變形。西班牙M.TORRES公司[5]生產(chǎn)的柔性工裝系統(tǒng),可根據(jù)不同外形薄板零件的曲面要求調(diào)整支撐,可縮短加工周期。劉緒弟等[6]對(duì)影響大型薄板零件加工變形的關(guān)鍵因素分析和優(yōu)化對(duì)比試驗(yàn),結(jié)合大量工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù),找到合理的工藝流程及加工方法,提高了大型薄板零件的加工精度。

國(guó)內(nèi)外的研究人員少有提及大型薄板類零件在立式車床上加工的方法,根據(jù)公司現(xiàn)有加工設(shè)備,滿足此零件加工的機(jī)床設(shè)備只有大型龍門(mén)銑和立車車床,該零件為回轉(zhuǎn)類零件,且表面粗糙度、平面度要求均較高,選擇立車車床更適合此薄板類零件的加工。

1.3 大型薄板類零件檢測(cè)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析

國(guó)內(nèi)暫無(wú)關(guān)于大型薄板類零件直接檢測(cè)的方法。姜超[7]設(shè)計(jì)了一種非接觸式薄板孔徑與中心距測(cè)量系統(tǒng),通過(guò)圖像采集、圖像分析技術(shù)和軟件補(bǔ)償消除誤差的方式,提高了薄板類零件平面度誤差的測(cè)量準(zhǔn)確性。先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)系統(tǒng)成本高昂,操作門(mén)檻較高,需要對(duì)測(cè)量人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn),故采用內(nèi)徑千分尺、游標(biāo)卡尺、π尺相結(jié)合的方式,利用我公司現(xiàn)有測(cè)量設(shè)備兩相對(duì)照,以確保外圓尺寸的準(zhǔn)確性。

綜上所述,通過(guò)對(duì)大型薄板類零件吊運(yùn)、加工和檢測(cè)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析,給本文的研究提供了一些思路和可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

2 加工難點(diǎn)分析

2.1 機(jī)床方面

通過(guò)對(duì)該大型薄板類零件結(jié)構(gòu)及我公司現(xiàn)有加工設(shè)備分析,認(rèn)為該零件為回轉(zhuǎn)式薄板類零件,適合在立式車床加工,但普通大型立式車床受機(jī)床加工精度影響,難以達(dá)到平面度0.1 mm要求,需選擇精度較高的數(shù)控立式車床。

2.2 裝夾、支撐方面

工件較薄,裝夾時(shí)若夾持力過(guò)大,易造成工件變形,若夾持力過(guò)小,工件又無(wú)法緊固,另外,若各卡爪夾持力不一致,也易導(dǎo)致工件的變形。故在裝夾時(shí),迫切需要選擇一個(gè)合適的夾緊力,使得工件既不會(huì)發(fā)生變形,又不會(huì)在機(jī)床高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)夾持不穩(wěn)的現(xiàn)象。

對(duì)于工件的支撐,若工件支撐點(diǎn)過(guò)少,兩支撐點(diǎn)的中間部位易下塌,導(dǎo)致平面度無(wú)法達(dá)到要求,若支撐點(diǎn)過(guò)多,會(huì)影響各個(gè)支撐點(diǎn)平面度的一致性。工件僅86 mm厚,常用的等高墊250 mm高,卡爪最高點(diǎn)高度已達(dá)到約400 mm,立式車床卡爪夾持時(shí)會(huì)將整個(gè)厚度夾持住,導(dǎo)致加工時(shí)無(wú)法加工外圓。若等高墊選擇較高,夾持太少,會(huì)出現(xiàn)夾持不穩(wěn)的情況。

2.3 加工方面

在零件沒(méi)有任何外力作用而內(nèi)部存在應(yīng)力時(shí),內(nèi)應(yīng)力是相互平衡的。在大型立式車床直接進(jìn)行切削加工的過(guò)程中,切削力和切削熱產(chǎn)生作用,工件表面硬化,并在表層的金屬中呈現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力,應(yīng)力層切除后,應(yīng)力重新分布會(huì)使此類薄壁零件產(chǎn)生扭曲變形,這就需要采用合理的方式控制切削過(guò)程中因應(yīng)力產(chǎn)生的變形。在加工過(guò)程中,工件厚度太薄,由于切削力的作用,加工中也易出現(xiàn)變形,要盡可能降低加工中的變形,需要選擇合適的切削參數(shù)。

加工工藝流程為:立車(留量粗車)→UT檢測(cè)→立車(留量半精車)→自然時(shí)效→立車(精車符圖)

2.4 吊運(yùn)翻轉(zhuǎn)方面

該大型薄板類零件在粗加工階段用傳統(tǒng)吊運(yùn)方式(吊帶對(duì)稱180°兩點(diǎn)吊運(yùn))進(jìn)行試吊,發(fā)現(xiàn)變形量達(dá)到了0.5 mm,即使工件在機(jī)床上精加工達(dá)到了要求,一旦起吊或者翻面,工件就會(huì)發(fā)生變形,導(dǎo)致平面度和平行度無(wú)法達(dá)到0.1 mm的要求。在控制加工中變形的前提下,盡量減少吊運(yùn)及翻轉(zhuǎn)次數(shù),吊運(yùn)翻轉(zhuǎn)增多,變形將不可控。

2.5 測(cè)量方面

由于零件尺寸公差小,尺寸測(cè)量須準(zhǔn)確,但外圓的測(cè)量較困難,采用π尺測(cè)量,受拉力及溫度影響,測(cè)量誤差較大。兩端面形位公差(平面度及平行度)的直接測(cè)量也較困難。

3 加工方案策劃及難點(diǎn)突破

3.1 加工設(shè)備選擇

根據(jù)工件特性和加工成本控制綜合考慮后,認(rèn)為選擇立式車床較為合理。根據(jù)工件尺寸選擇6.3 m立車或8 m立車較為合理。由于工件精度要求較高,需選擇精度較高的立車車床,本文選擇的CHX5280數(shù)控立車,機(jī)床加工圓度為0.015 mm。

3.2 支撐裝夾方案

我公司常采用剛性支撐技術(shù),立式車床常見(jiàn)支撐為等高墊,尺寸為?150 mm×200 mm和?250 mm×250 mm,CHX5280數(shù)控立車卡爪夾持高度在距機(jī)床245～380 mm。工件厚度86 mm,直接裝夾,工件外圓完全落于卡爪夾持范圍內(nèi),導(dǎo)致外圓及靠近外圓處端面處均無(wú)法加工。經(jīng)作者計(jì)算分析,支撐高度在337～380 mm時(shí),卡爪夾持工件范圍小于工件高度的一半,能保證在兩次裝夾過(guò)程中完成外圓的加工。現(xiàn)有輔助支撐高度不足,無(wú)法滿足該大型薄板零件的加工需要,故需設(shè)計(jì)制作新的工裝或?qū)ΜF(xiàn)有輔助支撐進(jìn)行改造。經(jīng)過(guò)綜合分析,決定將現(xiàn)有輔助支撐加高,下墊兩塊50 mm壓板,使得支撐高度達(dá)到350 mm,如圖2所示,此時(shí)卡爪夾持工件外圓高度30 mm,即可滿足加工要求,也能保證裝夾的穩(wěn)固性。

圖2 支撐裝夾圖Figure 2 Diagram of assembly and clamping of the support

為保證工件支撐足夠,加工過(guò)程中不發(fā)生變形,底部支撐準(zhǔn)備16個(gè),分內(nèi)、中、外三圈分布放置,外圈均布8個(gè)支撐,中圈、內(nèi)圈均布4個(gè)支撐,且中圈、內(nèi)圈的支撐呈一定的角度分布,支撐布局圖如圖3所示。

圖3 支撐布局圖Figure 3 Layout diagram of support

所有輔助支撐采用螺桿與T型塊螺紋連接的方式緊固在卡盤(pán),為確保所有支撐高度一致,所有支撐把合牢固后,將所有的支撐上端面車平,手工拋磨至表面粗糙度≤Ra3.2 μm,并打磨去除四周毛刺,車削后使用塞尺配合大理石平尺檢查各支撐平面度,確保所有支撐面整體平面度≤0.05 mm。

3.3 加工過(guò)程

3.3.1 粗加工階段

此時(shí)工件余量較大,按圖單邊留量≥10 mm,采用95°機(jī)夾車刀(刀具型號(hào):PCLNR4040S25,刀片刀尖圓弧半徑2.4 mm:CNMM250924)加工上、下兩端面及外圓表面粗糙度滿足超聲檢測(cè)的要求,完成后對(duì)所有表面進(jìn)行超聲檢測(cè),合格后進(jìn)入半精加工階段。

3.3.2 半精加工階段

本階段開(kāi)始需盡可能控制工件的變形,經(jīng)過(guò)分析,認(rèn)為影響工件變形的因素主要有三個(gè),一是工件加工過(guò)程,因加工應(yīng)力造成的變形;二是工件裝夾過(guò)程造成的變形;三是工件吊運(yùn)、翻轉(zhuǎn)過(guò)程造成的變形。作者通過(guò)專家打分法,得出吊運(yùn)和翻轉(zhuǎn)是影響工件變形最大的因素,因此整個(gè)加工過(guò)程就需要盡可能減少吊運(yùn)、翻轉(zhuǎn)的次數(shù)。決定在半精加工過(guò)程及精加工過(guò)程各翻一次面,而精度最高表面應(yīng)放在最后進(jìn)行加工,加工完后不再翻轉(zhuǎn),可保證最終加工表面精度最好,因此半精加工選擇精度較高的鏡板面先進(jìn)行加工。采用與粗加工階段相同的刀具,單邊留量2 mm半精車鏡板面、內(nèi)孔及外圓,切削參數(shù)為:轉(zhuǎn)速10 r/min,走刀0.6 mm/r,吃刀量1.5～2 mm;半精車最后一刀吃刀量更改為0.3 mm,內(nèi)外棱邊倒角1×45°加工后翻面。再單邊留量2 mm加工其余部位;完成后,松開(kāi)機(jī)床卡爪,讓工件處于自由狀態(tài)自然時(shí)效8 h以上。

3.3.3 精加工階段

重新裝夾找正,按已加工外圓找正,誤差≤0.1 mm,機(jī)床各卡爪打表夾緊,防止夾緊力過(guò)大造成工件變形;找正后,先加工精度要求較低的非鏡板面,采用95°機(jī)夾車刀(刀具型號(hào):PCLNR4040S25,刀片刀尖圓弧半徑1.6 mm:CNMM250916)加工非鏡板面、外圓、內(nèi)孔,精車切削參數(shù):轉(zhuǎn)速15 r/min,走刀0.25 mm/r,吃刀量0.2 mm;端面加工后,采用機(jī)床打表,塞尺配合4 m長(zhǎng)的大理石平尺(1級(jí),平面度≤0.02 mm)檢測(cè)已加工面平面度,再配合機(jī)床數(shù)控編程補(bǔ)稍加工,確保加工后平面度≤0.05 mm。

非鏡板面加工完成后,再加工內(nèi)孔符圖,采用內(nèi)徑千分尺測(cè)量尺寸按“米”字型測(cè)量,記錄數(shù)據(jù)后再加工外圓尺寸,外圓加工后采用游標(biāo)卡尺測(cè)量?jī)?nèi)外圓壁厚差,從而通過(guò)間接測(cè)量方式測(cè)量出外圓尺寸,同時(shí)外圓采用π尺進(jìn)行直接測(cè)量,相互校對(duì),以確保外圓尺寸的準(zhǔn)確性。

工件鏡板面的表面粗糙度要求達(dá)Ra0.8 μm,非鏡板面表面粗糙度要求達(dá)Ra1.6 μm,立車在精車加工后,能達(dá)到Ra3.2 μm的要求,需要通過(guò)拋磨的方式達(dá)到圖紙要求的表面粗糙度,對(duì)比機(jī)床用砂帶拋光機(jī),千葉輪式拋光機(jī)與工件接觸屬于柔性接觸,不會(huì)影響已加工后的尺寸及形位公差,更適合平面的拋光;對(duì)比風(fēng)動(dòng)千葉輪拋光機(jī),電動(dòng)千葉輪拋光機(jī)的拋光效率更高,因此采用電動(dòng)千葉輪拋光機(jī),拋光機(jī)裝夾在機(jī)床刀架上,機(jī)床旋轉(zhuǎn)后通過(guò)走刀的方式對(duì)工件表面進(jìn)行拋光,如圖4所示,多次拋光即可滿足粗糙度Ra0.8 μm的要求。

圖4 平面拋光示意圖Figure 4 Polishing of plane of workpiece

從加工該大型薄板類零件的過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn),采用以下兩種措施控制加工過(guò)程中的工件變形:

(1)分刀、多次車削,在半精加工到精加工階段增加了自然時(shí)效的措施;調(diào)整切削參數(shù),精加工階段采用高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給和吃刀的方式進(jìn)行加工,防止加工過(guò)程中切削應(yīng)力過(guò)大引起工件變形過(guò)大;

(2)在加工前裝夾找正時(shí),機(jī)床各卡爪打表夾緊,保證各卡爪夾緊力均勻的同時(shí)防止因夾緊力過(guò)大造成工件變形。

4 吊運(yùn)、翻轉(zhuǎn)過(guò)程控制

吊運(yùn)、翻轉(zhuǎn)作為影響工件變形的最主要因素,控制吊運(yùn)、翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的變形尤為重要。調(diào)查同行業(yè)類似產(chǎn)品的吊運(yùn),均設(shè)計(jì)有專用吊運(yùn)、翻轉(zhuǎn)工裝,但制作成本較高,本文采用通用工裝進(jìn)行吊運(yùn),利用60 t吊梁,能實(shí)現(xiàn)4點(diǎn)吊運(yùn),另外在吊梁中部增加手拉葫蘆,可實(shí)現(xiàn)6點(diǎn)吊運(yùn),如圖5所示。

工件的翻轉(zhuǎn),利用翻身機(jī)輔助,先在翻身機(jī)上用扎帶固定多塊枕木,再將工件平吊至翻身機(jī)上,以固定的枕木支撐,工件外圓靠在翻身機(jī)側(cè)面V型鐵上,松開(kāi)所有吊帶,撤掉吊梁,用單吊帶拉住工件側(cè)面,翻轉(zhuǎn)機(jī)將工件轉(zhuǎn)至豎直,翻轉(zhuǎn)過(guò)程中,行車?yán)鯉б黄鹨苿?dòng),將工件吊至處于豎直狀態(tài),此時(shí)工件受力僅在垂直方向,不會(huì)影響工件平面度,然后將工件緩慢吊離翻身機(jī)懸空旋轉(zhuǎn)180°,再將鏡板豎直吊回翻身機(jī),翻身機(jī)緩慢將鏡板放平,即完成了鏡板的翻面,如圖6所示。

圖6 翻身機(jī)翻轉(zhuǎn)示意圖Figure 6 Diagram of overturning of workpiece on roll over machine

工件放平后,再使用吊梁按吊離機(jī)床時(shí)相同的方式,將鏡板吊至機(jī)床上即完成工件的吊運(yùn)、翻轉(zhuǎn)過(guò)程,重新吊至機(jī)床上找正后,檢測(cè)工件已加工端面的變形量為0.03 mm,此吊運(yùn)、翻轉(zhuǎn)方式可滿足該薄板鍛件的尺寸精度要求。

5 結(jié)論

(1)采用三環(huán)星布式剛性支撐技術(shù)的裝夾、找正方法,保證了支撐面的剛性,通過(guò)打表控制夾緊力的方式控制工件變形,將支撐面整體平面度控制在0.05 mm內(nèi)。

(2)通過(guò)內(nèi)徑千分尺配合游標(biāo)卡尺的間接測(cè)量方式解決了大直徑外圓測(cè)量困難的問(wèn)題。通過(guò)分刀、多次車削,增加自然時(shí)效等方式解決了加工過(guò)程中的工件變形的難題。

(3)配合手拉葫蘆增加平吊吊點(diǎn),利用翻身機(jī)配合行車進(jìn)行翻轉(zhuǎn),將吊運(yùn)翻轉(zhuǎn)變形控制在了0.05 mm內(nèi)。

6 展望

在某大型薄壁零件精車加工過(guò)程中,使用通用工裝、合理安排加工工藝,解決了大型薄板零件在起吊、翻轉(zhuǎn)、加工過(guò)程中變形過(guò)大的難題,成功實(shí)現(xiàn)了平面度達(dá)0.07 mm,平行度達(dá)0.1 mm的精加工要求。但由于研究時(shí)間有限及作者能力有限,關(guān)于大型薄板類零件車削加工技術(shù)的研究仍有需要改善和加強(qiáng)的地方:

(1)采用柔性支撐技術(shù)對(duì)加工效率和加工精度的影響;

(2)剛性支撐技術(shù)和柔性支撐技術(shù)對(duì)大型薄板類零件車削加工的影響。