大直徑高精密管體零件的加工

上海電氣上重碾磨特裝設(shè)備有限公司 工藝研究所 上海 200245

1 加工要求

某科研項(xiàng)目中,大直徑高精密管體零件總長L為4 000～8 000 mm,主孔d尺寸為φ600+0.110mm,要求表面粗糙度Ra不大于0.8 μm,直線度不大于0.1 mm,管體對接處外肩圓c及內(nèi)肩孔e與主孔d的同軸度不大于φ0.03 mm,兩端連接螺紋a與主孔d的同軸度不大于φ0.06 mm,管體外圓b與主孔d的同軸度不大于φ0.06 mm。管體零件如圖1所示。

2 工藝分析

大直徑高精密管體零件是某科研項(xiàng)目中的核心零件,采用合金調(diào)質(zhì)鋼鍛件制造。這類零件的主要加工難點(diǎn)是主孔及外圓有較高的尺寸精度、同軸度及直線度要求[1-3],加工工藝流程為鍛造、粗加工、超聲探傷、熱處理、理化檢驗(yàn)、半精加工、時效處理、精加工。根據(jù)此類零件加工余量大、精度高的特點(diǎn),通過采用多道工序加工,并在精加工前進(jìn)行時效處理等工藝手段消除內(nèi)應(yīng)力,排除材料方面的不利因素,從而提高零件的加工精度。

大直徑高精密管體零件整個加工工藝過程分為四個階段。

(1) 粗加工階段。需要保留合理的余量及本體試樣區(qū),切除各表面較多的加工余量,為熱處理作準(zhǔn)備。熱處理后取本體試樣進(jìn)行理化檢驗(yàn),本體按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲探傷檢查,以確保鍛件熱處理后的材料內(nèi)在質(zhì)量和理化性能符合要求。

圖1 大直徑高精密管體零件

(2) 半精加工階段。主要保證主孔、外圓、螺紋留有合適的精加工余量,并通過人工時效或低溫回火熱處理,最大程度消除前道工序產(chǎn)生的材料應(yīng)力,防止精加工后零件變形超差。

(3) 精加工階段。關(guān)鍵是保證管體主孔d精鏜、珩磨、超精磨,以及外圓精車尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求,按先內(nèi)后外的順序進(jìn)行加工。

(4) 質(zhì)量驗(yàn)收階段。機(jī)床在線檢查尺寸精度,通過樣柱檢查主孔直線度,通過內(nèi)窺鏡檢查主孔表面質(zhì)量。

3 主孔加工

主孔作為外圓、螺紋及肩圓的加工基準(zhǔn)及設(shè)計(jì)基準(zhǔn),其加工精度尤為重要。加工選用T2280深孔鏜機(jī)床,鏜削方式為推鏜,向前排削,由鏜桿尾端授油。鏜孔最大直徑為800 mm,最大深度為15 000 mm,設(shè)備配置磨頭紅外線在線測量裝置。按以下方案進(jìn)行加工[4-5]。

(1) 遵循主孔、外圓互為基準(zhǔn)原則,在粗加工、半精加工、精加工主孔前,在管體零件外圓先車削加工出同軸度小于φ0.05 mm的三段外圓E、D、F,如圖2所示,作為主孔加工的裝夾基準(zhǔn)。同時車出導(dǎo)向孔,便于主孔加工時的找正。

(2) 主孔精加工前,外圓及兩端螺紋需要進(jìn)行半精加工。在半精加工后進(jìn)行時效處理,消除材料內(nèi)應(yīng)力,穩(wěn)定管體零件的加工尺寸,從而提高加工精度。

圖2 主孔加工示意圖

(5) 通過模擬試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)原加工工藝方案存在如下問題:距離出口端10 mm范圍內(nèi)的主孔尺寸超差,其余指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求;管體水平放置進(jìn)行樣柱通過性試驗(yàn)時,由于重力作用使樣柱在非均勻接觸狀態(tài)下通過主孔,造成主孔部分表面劃傷。

(6) 根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果,優(yōu)化原加工工藝方案。主孔精加工前,出口端端面余量由原加工工藝方案的3 mm放大至15～20 mm,在主孔加工完成后,再將端面余量去除。采用端面余量增大的方法,可以解決出口端主孔尺寸超差問題。樣柱通過性試驗(yàn)由原方案管體零件水平放置優(yōu)化為豎直放置進(jìn)行,可以解決樣柱通過主孔時非均勻接觸的問題。

4 外圓加工

外圓加工工藝與主孔類似,要進(jìn)行粗加工、半精加工、精加工三個過程,每一個過程均是以主孔為基準(zhǔn)進(jìn)行加工。外圓的粗加工、半精加工采用常規(guī)加工方法,不再介紹。筆者重點(diǎn)討論精車外圓時,如何通過改進(jìn)工藝裝備及精確找正主孔等方法,來確保外圓各部位精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求[6-8]。

(1) 可調(diào)中心支撐改進(jìn)[9]。管體零件外圓加工時,采用可調(diào)中心支撐約束管體零件的五個自由度,實(shí)現(xiàn)管體零件以頂夾方式裝夾的加工需求?？烧{(diào)中心支撐主要由支撐體、中心支撐、定位套、調(diào)整螺桿、支撐塊等部件組成,如圖4所示。為了保證主孔表面粗糙度及加工精度,對原可調(diào)中心支撐進(jìn)行以下改進(jìn):① 支撐塊由原碳鋼材料改為黃銅材質(zhì)制作,以避免劃傷管體零件表面,有效保護(hù)管體零件主孔表面質(zhì)量;② 中心支撐體與支撐體在端面改用球面SR50 mm配合,可使中心孔位置作微量調(diào)整,保證在裝夾時嚴(yán)格按主孔找正的工藝要求。

圖3 主孔直線度檢驗(yàn)

圖4 可調(diào)中心支撐

(2) 采用測厚儀測量壁厚,精確校正管體零件主孔軸線,完成管體零件的裝夾找正。當(dāng)管體零件以頂夾方式裝夾加工時,為了保證外圓各部位尺寸與主孔高精度同軸度要求,加工前必須按已精磨后主孔的軸線找正,即校調(diào)管體零件主孔軸線與機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)軸線同軸。用測厚儀測量管體零件兩端外圓壁厚,實(shí)現(xiàn)按主孔軸線找正的要求,方法如下:① 按管體零件主孔尺寸調(diào)整可調(diào)中心支撐的支撐塊,使其徑向尺寸與管體零件主孔尺寸一致,將可調(diào)中心支撐裝入后頂尖端的管體零件主孔;② 管體零件在車床上以頂夾方式裝夾,在后頂尖端及卡盤端,分別車一段溝槽G、H,如圖5所示;③ 在裝可調(diào)中心支撐的支撐點(diǎn)0°、90°、180°、270°位置時,使用測厚儀分別測量G及H外圓處壁厚,根據(jù)壁厚差值來校調(diào)管體零件主孔軸線的角度位移誤差和徑向位移誤差,實(shí)現(xiàn)按主孔軸線找正要求。

圖5 外圓加工示意圖

(3) 內(nèi)外肩圓的加工。加工管體對接處的外肩圓c及內(nèi)肩孔e時,采用一端用三爪卡盤夾緊,另一端用中心架支撐的定位裝夾方式加工?，F(xiàn)有車床配備的中心架具有三個120°分體式螺桿調(diào)節(jié)定心,使用時往往依賴于操作人員的感覺。支撐管體零件的軸承中,最精密軸承的間隙約為0.02 mm。使用現(xiàn)有中心架支撐管體零件進(jìn)行加工,要保證管體對接處外肩圓c及內(nèi)肩孔e與主孔d的同軸度不大于φ0.03 mm的設(shè)計(jì)要求非常困難,因此,消除中心架上支撐軸承間隙,提高定心精度,是保證加工精度的關(guān)鍵[10]。

筆者對中心架進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),制作三塊支撐塊,如圖6所示,用于代替中心架上的三個軸承。支撐塊上設(shè)有長螺栓孔、油槽、支撐爪、定位鍵、油孔。定位鍵與中心架上的定位凹槽相配合,定位鍵斜面具有調(diào)整支撐塊徑向尺寸的功能,與所裝夾管體零件尺寸相適應(yīng),保證裝配精度。長螺栓孔用于裝配螺栓,使支撐塊固定于中心架上。支撐塊的支撐爪噴涂巴氏合金,并設(shè)置油槽,用于支撐管體零件。油槽與油孔相連,用于加工時加注高壓導(dǎo)軌油,起降溫、潤滑管體零件的作用,同時形成油膜支撐。

中心架按圖7所示進(jìn)行改制,分別在三處120°安裝軸承方位處加工出與支撐塊相匹配的定位斜凹槽及長螺栓孔,將支撐塊與中心架用連接螺栓裝配為一體。采用改制后的中心架進(jìn)行加工,精車外圓時,先精車一段用于中心架上支撐爪支承的基準(zhǔn)外圓,要求與主孔d的同軸度小于φ0.01 mm,表面粗糙度Ra不大于0.8 μm。外圓精車后,可調(diào)中心支撐不用取出,與管體零件一體吊離機(jī)床。在機(jī)床導(dǎo)軌上架好中心架后,用頂夾定位方式再次裝夾管體零件。校調(diào)管體零件軸線與機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)軸線同軸后,調(diào)整中心架下座兩個支撐爪,與管體零件基準(zhǔn)外圓均勻接觸后鎖緊。再緊扣上蓋,調(diào)整位置合適后鎖緊。松開后頂尖,使管體零件在支承面上低速轉(zhuǎn)動,使支撐爪與管體零件基準(zhǔn)外圓充分磨合,并不斷通過支撐塊上的油槽澆注高壓導(dǎo)軌油來降溫潤滑,形成油膜支撐,實(shí)現(xiàn)管體零件在三處120°支撐爪上與機(jī)床主軸同軸轉(zhuǎn)動。

支撐爪采用巴氏合金涂層,具有質(zhì)地柔軟、強(qiáng)度低的特性。轉(zhuǎn)動管體零件可使支撐爪軟基體內(nèi)凹,硬基體外凸,此特性使支撐塊與管體零件外圓間形成小間隙配合,減小摩擦。硬基體起支撐作用,有利于承重,可達(dá)到支撐塊與管體零件基準(zhǔn)外圓無間隙的配合要求。改制后的中心架消除了原有支承軸承間隙所帶來的系統(tǒng)誤差,有效提高了定心精度。通過實(shí)際加工驗(yàn)證,這一方法能有效確保管體對接處外肩圓c及內(nèi)肩孔e與主孔d的同軸度不大于φ0.03 mm的加工精度要求。

圖6 支撐塊

5 結(jié)束語

筆者在大直徑高精密管體零件加工工藝方案制訂及實(shí)施過程中,嚴(yán)格控制管體零件關(guān)鍵工序的尺寸精度,并使用改進(jìn)后的可調(diào)中心支撐和改制后的中心架,滿足管體零件加工時工裝與管體零件無間隙配合定位裝夾需求,提高裝夾定位精度。在找正時,采用測量壁厚校調(diào)管體零件主孔軸線與機(jī)床主軸同軸的方法,操作性強(qiáng),可滿足精車外圓各部位尺寸精度與主孔高同軸度的設(shè)計(jì)要求。實(shí)踐驗(yàn)證所介紹的加工工藝方案適用于大直徑高精密管體零件,滿足加工精度及設(shè)計(jì)精度要求,可保證管體零件制造過程中達(dá)到100%的合格率。