大口徑超長薄壁筒類開槽零件防變形加工技術*

邱家敏 林安欣 李曉春 葉 蓉

(內蒙古北方重工業集團有限公司,內蒙古 包頭014030)

公司承擔的某大口徑發射性能試驗裝置,外形尺寸大、結構復雜,其關鍵部件駐退機筒在設計上將傳統的內孔壁溝槽式一體筒式結構,改進為由制退筒(見圖1)、調節筒(見圖2)兩個筒體零件分別加工后裝配在一起結構。其中的調節筒為大口徑、薄壁筒形結構,沿圓周方向均布上四條長2810mm、寬度一端為200 mm、另一端為半徑20 mm的變截面槽,將其套裝在制退筒內,裝配后形成變截面槽駐退機筒(見圖3),通過變截面槽控制駐退機的活塞液體流量。由于調節筒的特殊結構,導致其剛性不足,在開槽加工過程易產生加工變形。

圖1 制退筒3D模型

圖2 調節筒3D模型

圖3 駐退筒裝配3D圖

2 大口徑薄壁調節筒開槽的加工

針對調節筒材料為高強韌炮鋼,總長度為3936mm,材料去除量大情況,同時其內孔φ577H9、外圓φ618.5h10、壁厚20 mm,設計要求圓度公差0.05mm、內孔與外圓同軸度φ0.03mm,尺寸公差和形位公差精度要求高。經現場調研和查閱相關資料后分析,此類零件加工過程中,由于零件口徑大,壁厚薄,四條圓周均布變截面槽在加工過程中,存在調節筒剛性不足,易產生加工變形,其尺寸精度和形位公差難保證的突出問題。

分析調節筒的結構工藝特點,控制加工變形為保證加工質量的關鍵。因此,需設計制作專用輔具提高調節筒加工過程中的剛性,選擇合理的刀具、切削參數及刀具路徑以減少加工變形。同時,在加工變截面槽前,對調節筒進行回火熱處理工序,更好地消除加工前零件的殘余應力,保證加工質量,滿足設計要求。

2.1 調節筒內、外圓加工

零件毛坯為大型鍛件,采用鍛件在重型車床和深孔鏜床上進行粗加工,調質熱處理后轉機加車間進行加工的工藝流程。機械加工采用加工工藝方法為:

a.內孔、外圓交替加工工藝方法;

b.內外圓互為基準,多工序裝夾逐漸去除加工余量,保證外圓、內孔尺寸精度及圓度、同軸度等形位公差要求;

c.內孔加工在深孔鏜床上完成,設計制作專用深孔擴鏜刀體和機夾硬質合金鏜刀頭(見圖4),而在精鏜時鏜刀體采用大主偏角高效防震超大孔徑深孔可調式浮動鏜刀;

d.裝夾方式采用以外圓作為基準,環形架裝夾,外圓找正在φ0.02mm之內,開始鏜削加工;

e.排屑方式采用外排屑方式、冷卻充分;

f.形位公差采用多工序推鏜擴孔至φ577H9,每個鏜削工序要求保證圓度0.05mm及內外圓同軸度φ0.03mm等工藝要求。

圖4 深孔鏜刀

分析調節筒的結構工藝特點,外圓加工在數控車床上完成時,為盡最大可能減少車削過程徑向力以減少,控制調節筒的變形,選用90°主偏角機夾刀體及刀片(見圖5);設計制作專用頂盤(見圖6),用于車削過程車床尾座端頂緊調節筒,車削過程采用一端四爪夾盤夾緊、另一端頂盤頂緊方式夾緊,內孔為基準深孔擴鏜刀體和機夾硬質合金鏜刀頭(見圖4),以外圓作為工藝基準,并多工序車削至外圓φ618.5h10,每個車削工序要求保證圓度0.05mm及內外圓同軸度φ0.03mm等工藝要求。

圖5 車刀 圖6 車用頂盤

另外,為減少零件變形,在粗加工和精加工之間安排一次回火熱處理工序。針對調節筒的結構特點,將回火溫度確定為480±10℃,保溫時間3.5h±1h,使零件機加殘余應力在精加工前釋放充分,降低精加工變形,同時為了將回火前的加工余量控制在最小狀態單邊1.5mm～2mm,減少后續機加時機加應力的累積以消除零件加工應力,便于更好地控制加工變形,以保證調節筒的實物加工質量。

2.2 調節筒銑削變截面槽加工

調節筒為大尺寸薄壁筒體類結構,剛性差,易產生裝夾變形,而薄壁上均布的四個變截面槽加工,材料去除量大,筒體加工后成部分鏤空結構,進一步增大加工變形。在制定加工工藝方案時,需重點考慮減少裝夾和加工變形,保證筒體加工后的形位精度。

2.2.1 裝夾控制變形方案

調節筒變截面槽通過銑削加工完成,由于外形尺寸大,采用在數控臥式鏜銑床上進行加工。為避免夾具干涉變截面槽通常的銑削,裝夾部位設置在調節筒的兩端,設計制作三個專用弧形墊鐵(見圖7),分別支撐在調節筒的兩端頭和中間部位,而在兩端頭通過螺釘壓板壓緊零件。為增加兩端頭的剛性,設計制作兩個圓環輔具(見圖8),裝在調節筒兩端孔內,以增強零件剛度,防止壓板壓緊而導致的零件變形。調節筒通過弧形墊鐵、圓環輔具及螺釘壓板水平位裝夾在數控臥式鏜銑床的工作臺面上(見圖9),移動機床立柱通過百分表找正后即可加工。

2.2.2 銑削加工控制變形方案

調節筒的四個變截面槽沿圓周方向均布,每個相鄰槽的中心線間隔90°,利用數控臥式鏜銑床的主軸裝刀具和滑枕端面加裝90°直角銑頭,可分別完成裝夾在垂直位置和水平位置的各兩個變截面槽的加工(見圖10),過程中需要將零件旋轉180°后重新夾緊。因此,在加工前,需在零件圓周向劃出四個槽的中心線,保證重新裝夾后槽間的正確位置。

圖7 弧形墊鐵 圖8 圓環輔具

圖9 調節筒裝夾

圖10 變截面槽垂直位和水平位槽加工

為控制總長2810 mm的變截面槽加工由于剛性不足、應力釋放而導致變形,銑削過程每個槽沿長度方向各保留寬度為50mm的四條拉筋,拉筋相隔距離分別為500、1050mm、1600mm、2150mm,待零件四個變截面槽加工完畢后再將拉筋去除(見圖11)。

圖11 變截面槽加工拉筋

為進一步減少銑變截面槽加工導致零件變形,銑槽前,先在每個槽的四處拐角部位先鉆四個導引孔,銑刀從導引孔部位進刀開始銑削,銑槽采用分層銑削的方式進行。另外,考慮均勻分部應力,圓周分布的四條槽子對稱銑削,即加工時先加裝角度銑頭銑削垂直位上端的槽,隨后零件旋轉90°重新裝夾,加工其軸向對稱的槽。然后,再卸下角度銑頭,加工處于水平位置的槽,隨后零件旋轉90°重新裝夾,加工其軸向對稱的槽(見圖12)。

圖12 變截面槽對稱加工

待四個方向的帶筋的變截面槽加工完成后,對零件進行振動時效處理,以消除殘余應力,然后切除拉筋。在切除拉筋加工過程中,仍然采取分層切削的加工方法,先切除變截面槽最窄部位的拉筋(見圖13),過程中需要再次90°旋轉工件并重新裝夾,保證去除拉筋后零件變形最小。

圖13 切除變截面槽拉筋

調節筒加工完畢,在車床上通過打表來測量零件的圓度公差(見圖14),并利用千分尺進行零件外圓的檢測。經測量,調節筒尺寸精度及形位公差符合圖紙要求(見圖15)。

圖14 調節筒的檢測 圖15 加工完成的調節筒

3 試驗結論

通過采用大口徑超長薄壁筒類開槽零件防變形加工技術研究的開展,經過試驗,形成以下結論:所采用現有工藝方法和裝夾方式、專用工裝后,零件實現快速裝夾,無加工孔變形存在;

所采用的回火熱處理工藝參數能夠滿足回火時去除機加應力要求;驗證零件經熱處理和機械加工后,屈服強度和材料硬度均符合設計要求;尺寸φ577H9,每個鏜削工序要求保證圓度0.05mm及內外圓同軸度φ0.03mm加工精度滿足設計要求,一次合格率達100%,合使用要求。

4 結語

通過采用大口徑超長薄壁筒類開槽零件防變形加工技術,針對此類零件開變截面槽零件易變形的技術問題,在裝夾、加工刀具及加工流程等方面等采取工藝措施,保證了零件的加工質量,積累了一定的寶貴經驗,保證了科研產品關鍵零件的順利產出,具有較大的推廣價值。