趙紅慶
(中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司,上海 200241)
從查閱國(guó)外相關(guān)資料并依據(jù)實(shí)地參觀交流外企生產(chǎn)加工現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看,長(zhǎng)筒類(lèi)薄壁件的加工、變形及振紋問(wèn)題依然是一個(gè)生產(chǎn)瓶頸。依據(jù)國(guó)內(nèi)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)交流和生產(chǎn)情況來(lái)看,長(zhǎng)筒類(lèi)薄壁件的變形和加工振紋問(wèn)題也不容樂(lè)觀。通過(guò)技術(shù)交流,也可以了解到與國(guó)外情況基本一致,仍然存在該類(lèi)問(wèn)題。
該文從實(shí)際加工出發(fā),以航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪通用材料高溫合金導(dǎo)管薄壁件為研究對(duì)象,結(jié)合國(guó)內(nèi)加工廠內(nèi)的實(shí)際狀況,按零件結(jié)構(gòu)分為深孔加工和外型加工兩類(lèi)進(jìn)行研究,提出具有實(shí)用價(jià)值和實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的解決方案。
在深孔類(lèi)零件加工的整個(gè)系統(tǒng)中,可以大致分為刀桿、工件、機(jī)床3 個(gè)部分。在這3 個(gè)部分中,刀桿是整個(gè)系統(tǒng)中剛度最差,產(chǎn)生擾度最大的部件。如圖1 所示,刀頭部位懸長(zhǎng)較大,切削時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)、波紋、錐度,從而影響了深孔的直線度和表面粗糙度。
傳統(tǒng)加工方案對(duì)零件進(jìn)行車(chē)削,在刀桿設(shè)計(jì)抗振方面考慮欠佳,會(huì)在一定程度上產(chǎn)生加工振紋,并且產(chǎn)生不同程度的加工讓刀現(xiàn)象,導(dǎo)致零件產(chǎn)生變形和尺寸大小不一的問(wèn)題,且易產(chǎn)生加工振紋。
針對(duì)以上加工問(wèn)題,對(duì)零件深孔加工方案進(jìn)行改進(jìn),包括以下2 點(diǎn):1)增強(qiáng)刀片與刀桿的抗擾程度,減少振動(dòng)影響。2)考慮零件深孔結(jié)構(gòu)適用于珩磨工藝,先采用優(yōu)化后的新刀具方案進(jìn)行精鏜,最后用精加工珩磨技術(shù)代替深鏜孔方案,解決了高精度內(nèi)孔加工問(wèn)題,提高了零件表面粗糙度和尺寸要求。
為了解決刀具加工時(shí)產(chǎn)生的因刀具與零件切削抗力影響而造成的刀具振動(dòng)現(xiàn)象,結(jié)合零件內(nèi)孔設(shè)計(jì)要求以及刀具加工顫振的原因分析,對(duì)精車(chē)刀具重新進(jìn)行設(shè)計(jì),以滿足加工需求,提高零件的加工質(zhì)量。
刀具抗振方面,在刀頭上,需要考慮如何與刀桿進(jìn)行連接。為了更好地提高定位精度以及車(chē)削過(guò)程中的剛性,利用三角穩(wěn)定原理,如圖2 及圖3 所示,設(shè)計(jì)三點(diǎn)(三孔)定位裝夾方式,提高刀具的整體剛度,以滿足加工要求。
另外,基于刀頭在加工過(guò)程中因切削抗力產(chǎn)生的振動(dòng)現(xiàn)象,除了三點(diǎn)定位以外,從摩擦力角度出發(fā),為增強(qiáng)抗振效果,在刀頭與導(dǎo)管配合抗振設(shè)計(jì)上,同時(shí)在刀桿與刀頭端面上設(shè)計(jì)了端面齒形,形成精密配合,避免刀頭在加工中產(chǎn)生顫振現(xiàn)象。圖4 為端面齒形圖。
珩磨工序在整個(gè)工藝過(guò)程中安排在精鏜加工之后,主要考慮在內(nèi)孔精鏜后由于刀桿懸長(zhǎng)較大,剛性不足,依然會(huì)在零件的內(nèi)孔表面產(chǎn)生一定的表面錐度?;谠撉闆r,在內(nèi)孔精鏜以后,留有一定的余量,單邊控制在0.2 mm 作用,再進(jìn)行珩磨加工。珩磨加工作為一種高效的磨削方法,可以小余量實(shí)現(xiàn)精密加工,保證零件的表面質(zhì)量,避免加工振紋產(chǎn)生。
圖1 深孔加工刀具示意圖
圖2 三角穩(wěn)定受力示意圖
圖3 刀頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖4 刀頭端面配合設(shè)計(jì)
1.2.1 珩磨參數(shù)的確定
珩磨加工作為一種精密磨削技術(shù),不宜磨削較大余量的工件。為了保證加工質(zhì)量,需要對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行選擇。
珩磨余量的大小取決于孔徑和工件材料。對(duì)高溫合金來(lái)說(shuō),一般珩磨的加工余量為0.05 mm~0.1 mm。加工余量太小不容易保證所有面被全部加工,太大又會(huì)影響珩磨的加工質(zhì)量。在珩磨前需要進(jìn)行的精加工,由于車(chē)削刀具在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的磨損和由于刀具剛性產(chǎn)生的讓刀現(xiàn)象,對(duì)導(dǎo)管來(lái)說(shuō),充分考慮以上因素,余量建議控制為0.1 mm 左右。
珩磨頭的轉(zhuǎn)速一般為100 r/min~200 r/min,往返運(yùn)動(dòng)的速度一般為15 m/min~20 m/min。對(duì)高溫合金來(lái)說(shuō),磨削轉(zhuǎn)速建議增大,進(jìn)給速度降低,以保證加工質(zhì)量。
以高溫合金短套筒為試驗(yàn)加工,確定最佳的加工參數(shù)。設(shè)定在轉(zhuǎn)速n=200 r/min,往返進(jìn)給速度vm=15 m/min,不同進(jìn)給量ap 的試驗(yàn),油石條為CBN(立方氮化硼)。
圖5 進(jìn)給量ap 與粗糙度數(shù)值統(tǒng)計(jì)
圖5為珩磨進(jìn)給量與粗糙度關(guān)系的統(tǒng)計(jì)曲線。從圖中可以看出,對(duì)深孔加工的精密磨削加工,隨著切深ap 的增加,零件的表面粗糙度也隨之增加,同時(shí)還會(huì)造成較大的徑向切削力。因此對(duì)照設(shè)計(jì)圖紙粗糙度Ra0.80 要求以及內(nèi)孔配合要求,并且從提高生產(chǎn)效率的角度出發(fā),建議選擇ap 不超過(guò)0.02 mm,分多次上刀,以保證磨削效果。
1.2.2 方案有效驗(yàn)證
在短套筒實(shí)際加工零件效果上驗(yàn)證深孔加工方案的可行性,進(jìn)行了最終表面的粗糙度檢查,如圖6 所示。
粗糙度測(cè)量?jī)x的檢測(cè)結(jié)果為Ra=0.3~0.4,符合不大于Ra0.8 要求。
對(duì)高溫合金導(dǎo)管薄壁件的研制生產(chǎn),容易在表面產(chǎn)生加工振紋,使零件變形超差,需要分析由于刀具的選擇、參數(shù)匹配不一致以及裝夾方式不合理造成的零件懸空車(chē)削帶來(lái)的影響。
車(chē)削外圓型面上主要分為加工外圓直面、度面和外圓槽結(jié)構(gòu)。圖7 為零件簡(jiǎn)化外型輪廓。
圖6 100X 電鏡檢查
圖7 外型面結(jié)構(gòu)
外圓直面以及內(nèi)孔加工在零件結(jié)構(gòu)中占據(jù)了較大比例,偏刀是應(yīng)用最大、消耗量最大、影響表面質(zhì)量最為密切的刀具?;谠摲矫婵紤],零件粗加工到最終尺寸之前,按照加工經(jīng)驗(yàn),對(duì)高溫合金精加工的正常線速度和選擇精加工常用的加工參數(shù),進(jìn)行試驗(yàn),最終在精加工時(shí),保證零件的加工要求。該章節(jié)只對(duì)刀具R大小與加工參數(shù)匹配關(guān)系對(duì)零件加工質(zhì)量產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究,以確定最合適刀具與加工參數(shù)的匹配關(guān)系。
為了減少零件的加工應(yīng)力,采用小余量車(chē)削,為了滿足良好的切削效果,刀具需要具備耐磨、重復(fù)定位精度高,抗沖擊等特點(diǎn)。對(duì)零件外圓直面和度面的加工,選擇刀片為35°菱形刀片,牌號(hào)VNMG160408 IC806 為ISO 國(guó)際標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)車(chē)刀片進(jìn)行試驗(yàn)。選擇不同的加工參數(shù)如下:策略設(shè)備為便攜式粗糙度測(cè)量?jī)x。
表1 顯示刀具R0.4 條件下,不同切削參數(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。根據(jù)以上檢測(cè)數(shù)據(jù),采用Origin 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,得出以下分布。
表1 不同參數(shù)下的Ra 統(tǒng)計(jì)(R0.4)
圖8 為R0.4 與進(jìn)給量f匹配統(tǒng)計(jì)關(guān)系圖。從以上數(shù)據(jù)和擬合曲線可以看出,單子參數(shù)固定刀具R尺寸大小,隨著進(jìn)給量f的變化,粗糙也隨之變化,擬合數(shù)據(jù)曲線成二次函數(shù)分布。基于更多的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和規(guī)律,統(tǒng)計(jì)出匹配關(guān)系函數(shù):
Ra≈f2/8R
根據(jù)統(tǒng)計(jì)關(guān)系式,在車(chē)削加工中,依據(jù)固定刀具R大小,可以理論優(yōu)化計(jì)算出切削參數(shù)進(jìn)給量的大小匹配,具有很好的指導(dǎo)意義。因此,在實(shí)際的加工過(guò)程依據(jù)參數(shù)選擇,再根據(jù)加工狀況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,以滿足加工需要,提高零件的加工質(zhì)量。
表2 顯示了不同刀具R 條件下,相同切削參數(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。圖9 為擬合統(tǒng)計(jì)關(guān)系圖。依據(jù)表中數(shù)據(jù),可以看出隨著刀具R增大,表面粗糙度值也隨之下降,也就是說(shuō),提高了零件的表面粗糙度。
表2 不同刀具R 的Ra 統(tǒng)計(jì)
從理論上進(jìn)行分析,圖10 為刀具加工零件表面的示意圖,圓形狀代表刀具R大小。從圖中可以看出,當(dāng)進(jìn)給量f一定時(shí),隨著刀具R的增加,必然會(huì)使Rmax減小,也就是兩次刀具軌跡所形成的空間地帶(未被加工區(qū)域)的高度減小,也就是減小了粗糙度值。
總結(jié)以上內(nèi)容,可以得到2 點(diǎn)結(jié)論。1)當(dāng)?shù)毒逺一定時(shí),隨著進(jìn)給量f的變化,粗糙度也隨之發(fā)生變化。根據(jù)統(tǒng)計(jì)關(guān)系得出的刀具R大小與加工參數(shù)的匹配關(guān)系,為實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中加工參數(shù)的選擇提供了很好的支撐。2)根據(jù)不同刀具R大小分析的對(duì)零件表面粗糙度影響的分析,可以看出,隨著刀具R增加,切削表面粗糙度值也隨之降低。
圖8 R0.4 與進(jìn)給f 匹配關(guān)系
圖9 刀具R 與粗糙度匹配關(guān)系
因此,對(duì)導(dǎo)管薄壁件來(lái)說(shuō),一方面為了減小切削力對(duì)零件的影響,提高加工質(zhì)量,減小振紋的產(chǎn)生,提高降低粗糙度值,另一方面又要兼顧加工效率。車(chē)削加工過(guò)程中,刀具的R 應(yīng)選擇R0.8 大小,進(jìn)給量f 大約在0.1 mm/r 左右,即可滿足加工要求。
基于高溫合金材料和加工參數(shù)以及刀具R 的匹配關(guān)系,獲得最優(yōu)的刀具選型和加工參數(shù),對(duì)今后高溫合金材料導(dǎo)管薄壁件車(chē)削加工提供了指導(dǎo)意義。
圖10 車(chē)削表面粗糙度示意圖
高溫合金薄壁件由于其塑性因素較大,剛性差,加工時(shí)夾、壓引起的彈性變形將影響表面的尺寸精度和形狀、位置精度;因夾緊力與支承力的作用點(diǎn)選擇不當(dāng),會(huì)引起附加應(yīng)力,導(dǎo)致零件內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生,不易恢復(fù)。該文主要對(duì)導(dǎo)管外圓精加工的夾具進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和研究,并進(jìn)行應(yīng)用。
2.2.1 柔性?shī)A具方案
根據(jù)零件加工外圓時(shí)產(chǎn)生的零件受力大、易變形并且零件剛性差等因素造成的加工振紋、粗糙度大等現(xiàn)象,對(duì)夾具方案重新改進(jìn)和優(yōu)化。改進(jìn)后的裝夾夾具是利用液性塑料的不可壓縮性, 液性塑料作為傳力介質(zhì),將壓力均勻地傳給薄壁套筒,并通過(guò)套筒的變形來(lái)定位和夾緊工件,主要由支架(芯軸)、漲套、堵蓋、漲緊釘以及漲緊內(nèi)六角螺栓組成。改進(jìn)后的柔性?shī)A具方案如圖11 所示。其工作原理如下:零件裝夾之前,設(shè)計(jì)漲套與零件內(nèi)孔為間隙配合,將零件套進(jìn)漲套,通過(guò)扳手將漲緊螺栓向下擰,擠壓漲緊釘,壓縮漲塞膏,實(shí)現(xiàn)漲套與零件內(nèi)孔配合,達(dá)到漲緊效果,然后再使用壓緊堵蓋與漲緊螺栓螺紋配合,壓緊零件端面,最終靠漲緊螺栓的60°配合設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)頂尖頂緊,保證零件的裝夾穩(wěn)定。
相對(duì)于傳統(tǒng)的夾具,改進(jìn)夾具具有以下3 個(gè)優(yōu)點(diǎn):1)夾具定心的精度高。該夾具設(shè)計(jì)利用多個(gè)雙階段式薄壁套筒與導(dǎo)管的內(nèi)孔相配合,實(shí)現(xiàn)圓柱面接觸,在整個(gè)夾具配合接觸的面積中達(dá)到90%。2)減小零件的損傷。導(dǎo)管內(nèi)壁與套筒實(shí)現(xiàn)圓柱面配合,在整個(gè)零件的加工過(guò)程中不產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn),不會(huì)造成像傳統(tǒng)夾具一樣零件被夾傷的情況,減小零件的額損失。3)定位面受力均勻。由于夾具實(shí)現(xiàn)了多個(gè)雙階段式套筒與導(dǎo)管內(nèi)壁配合,可以最大程度地保證零件加工部位的支撐效果,受力均勻,減少零件的讓刀現(xiàn)象。
2.2.2 套筒方案設(shè)計(jì)
2.2.2.1 套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖11 改進(jìn)夾具方案
套筒作為柔性?shī)A具中關(guān)鍵的零部件,需要針對(duì)性的設(shè)計(jì)滿足符合要求的結(jié)構(gòu)和規(guī)格。套筒材料選取常用40Cr 中碳合金鋼,淬火性能好,可以淬硬至HRC45~52。在夾具零部件設(shè)計(jì)中,需要提高表面硬度,又希望發(fā)揮40Cr 優(yōu)越的機(jī)械性能,常將40Cr 調(diào)質(zhì)后進(jìn)行表面高頻淬火處理,硬度可達(dá)58 HRC~58 HRC,這樣就能得到高的表面硬度,又保持了內(nèi)部好的韌性。40Cr 彈性模量E(20℃) /MPa 200000~211700 ,切變模量G(20℃) /MPa 80800。
導(dǎo)管總長(zhǎng)在8 400 mm,考慮單個(gè)套筒無(wú)法實(shí)現(xiàn)漲緊效果,且對(duì)較長(zhǎng)的薄壁套筒加工難度特別大,因此將配合套筒設(shè)計(jì)為5 個(gè)雙階段式結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)零件與套筒的緊密配合,保證裝夾與定心效果。雙階段套筒結(jié)構(gòu)如圖12 所示。L為有效配合長(zhǎng)度,h為套筒壁厚,M及K為固定部位尺寸,D為套筒設(shè)計(jì)直徑。當(dāng)套筒直徑D<150mm 時(shí),薄壁套筒的簡(jiǎn)化公式見(jiàn)表3[1]。
表3 套筒尺寸計(jì)算簡(jiǎn)化公式
套筒結(jié)構(gòu)其余固定部分尺寸選擇見(jiàn)表4。
表4 套筒固定部分尺寸
由設(shè)計(jì)圖紙得,導(dǎo)管內(nèi)孔配合尺寸為Φ110(+0.1/0)mm,所以套筒直徑D<150 mm。又根據(jù)零件配合長(zhǎng)度約為750 mm,共分為5 個(gè)雙階段套筒結(jié)構(gòu),因此每個(gè)套筒長(zhǎng)度L=150 mm >d/2=55 mm。
計(jì)算根據(jù)上述表中計(jì)算簡(jiǎn)化公式選取壁厚
h=0.025d
代入D=110
得到:h=2.75
其他固定結(jié)構(gòu)尺寸選?。?/p>
M=16 ,K=12
2.2.2.2 套筒配合壓力計(jì)算
對(duì)柔性配合夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),必須重點(diǎn)考慮的一個(gè)因素是,制造的漲緊套在理論上是否滿足漲緊的需求,避免在實(shí)體制造后無(wú)法使用的情況。
套筒受力圖如圖13 所示,設(shè)套筒內(nèi)徑為d,外徑為D,套筒內(nèi)徑為Dg,則壁厚h=(D-d)/2。假設(shè)在自由狀態(tài)時(shí),零件與夾具之間為間隙配合,以方便裝夾,則設(shè)套筒外圓與工件內(nèi)孔之間的間隙為△/2。當(dāng)夾具通過(guò)一端的漲緊螺釘擠壓漲塞膏時(shí),此時(shí),套筒在壓力的作用下產(chǎn)生變形,圓周均勻變大,假設(shè)當(dāng)壓力達(dá)到P1 時(shí),套筒的外圓面與零件的內(nèi)孔剛好接觸,此時(shí)的裝配間隙也得以消除,但此時(shí)仍沒(méi)有對(duì)零件進(jìn)行漲緊作用力。根據(jù)彈性力學(xué)的軸對(duì)稱應(yīng)力和位移可知,套筒的應(yīng)力為[2]:
圖12 雙階段套筒結(jié)構(gòu)
圖13 套筒受力圖
套筒的徑向位移:
式中: μ 為套筒材料的泊松比,E 為套筒材料的彈性模量。根據(jù)位移的邊界條件μr=Δ/2 (此時(shí)r=D/2)得:
將(2)式常數(shù)項(xiàng)帶入(3)式,得:
由于D-d=2h,D+d ≈2D,所有得
由套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分可知,套筒相關(guān)尺寸:
D=110 mm ,h=2.75 mm
得到:
d=D-2h=110-2×2.75=104.5
又知:?=0.02 mm,彈性模量E=200 000 MPa,h=2.75 mm,泊松比:μ=0.3。
套筒受壓力作用產(chǎn)生的彈性變形
δ=P×L/(E×A)
式中:P 為外載荷的大小, P1= 1998002N
L 為套筒的長(zhǎng)度,L=150 mm=0.15 m
E 為套筒的彈性模量,取E=200000MPa=2×1011Pa
A 為套筒的面積,A=π×D×L=0.0518 m2
受壓力P 作用產(chǎn)生的彈性變形:
δ= 0.289×10-4m=0.0289 mm
自由狀態(tài)下導(dǎo)管內(nèi)孔與套筒的間隙為?=0.02 mm,可知:
δ= 0.289×10-4m=0.0289mm ≈?=0.02 mm
綜上可知:套筒尺寸設(shè)計(jì)及漲緊情況滿足設(shè)計(jì)和實(shí)際制造使用要求,只需在漲緊過(guò)程中施加超過(guò)5*P1 的漲緊力。
2.2.2.3 套筒設(shè)計(jì)仿真驗(yàn)證
為了正確合理地驗(yàn)證設(shè)計(jì)的套筒結(jié)構(gòu)以及變形量的正確性,對(duì)40Cr 材質(zhì)套筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真驗(yàn)證,以確保設(shè)計(jì)的合理性和正確性。套筒的相關(guān)驗(yàn)證數(shù)據(jù)如下。
驗(yàn)證載體:套筒
套筒的長(zhǎng)度:L=150 mm=0.15 m
套筒的面積:A=π×D×L=0.0518 m2
套筒外徑:D=110 mm
套筒壁厚:h=2.75 mm
載體材料:40Cr
彈性模量:取E=200000 MPa=2×1011Pa
泊松比:μ=0.3
質(zhì)量密度:ρ=7.9 kg/m2
張力強(qiáng)度:σb=9.8×108Pa
屈服強(qiáng)度:σs=7.5×108Pa
施加壓力:P1=1998002 N
ESTRN:對(duì)等應(yīng)變
圖14 套筒受力變形仿真
套筒受力變形仿真模擬結(jié)果如圖14 所示。從仿真的數(shù)據(jù)來(lái)看,套筒雙段中間部位產(chǎn)生最大變形,最大的變形量為ε(estrn)=0.02027 mm,設(shè)計(jì)的理論變形量δ=0.0289 mm 相差不大,從而可知理論設(shè)計(jì)的可行性和正確性。
圖15 表面電鏡檢測(cè)
車(chē)銑外型方案驗(yàn)證:為了驗(yàn)證刀具與參數(shù)匹配合理性以及夾具裝夾方案的可行性,選擇已加工完內(nèi)孔的零件進(jìn)行裝配車(chē)削試驗(yàn),同時(shí)對(duì)車(chē)削部位進(jìn)行同步打表檢測(cè),觀察千分表的振動(dòng)情況,以達(dá)到改善的目的。
檢測(cè)跳動(dòng)結(jié)果:百分表跳動(dòng)變化基本不大,在均勻發(fā)生跳動(dòng),維持在0.005mm 左右,也就是說(shuō)零件在車(chē)削過(guò)程中,刀具對(duì)其的受力影響比較小,夾具在整個(gè)過(guò)程中起到了很好的支撐效果,減少了對(duì)零件的影響,減少了振紋的產(chǎn)生。從圖15 電鏡檢測(cè)微觀形貌可以看出,零件表面只存在正常的橫向加工刀具痕跡,未發(fā)現(xiàn)明顯的弧形振刀紋路。
回顧整個(gè)的研究過(guò)程,從深孔加工方案以及外型加工方案上詳細(xì)論述了刀具的改進(jìn),車(chē)加工后余量與珩磨參數(shù)的確定和外型加工刀具與參數(shù)的優(yōu)化匹配,柔性?shī)A具方案的設(shè)計(jì),并對(duì)各自的方案進(jìn)行工程化試驗(yàn)和應(yīng)用,對(duì)導(dǎo)管類(lèi)薄壁件的變形控制和加工振紋的控制起到了很好的作用。