管套類零件加工方法探討

一、技術(shù)要求

管套類零件是機(jī)械加工中經(jīng)常碰到的一類零件，其應(yīng)用范圍很廣。管套類零件通常起支撐和導(dǎo)向作用，其在結(jié)構(gòu)上有共同的特點(diǎn)：零件的主要表面為同軸度要求較高的內(nèi)外回轉(zhuǎn)面

，且零件壁厚較薄，加工易變形。管套類零件所用的材料一般為高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼鋼、鈦合金、青銅或黃銅。有的滑動(dòng)軸承因使用條件等特殊原因，需采用雙金屬結(jié)構(gòu)，即用離心鑄造法在鋼制管套類零件的內(nèi)壁上澆注鉛青銅、錫青銅或巴式合金等軸承合金材料，能提高管套類零件的承載能力和使用壽命。管套類零件的毛坯一般為孔徑較小的套筒，毛坯的熱處理狀態(tài)一般為熱軋或冷拉。當(dāng)孔徑較大時(shí)，常采用帶孔的鍛件或無縫鋼管。大批量生產(chǎn)時(shí)，毛坯可采用冷擠壓或粉末冶金等高效率制造工藝加工而成。管套類零件的加工過程中主要遇到的加工工藝難點(diǎn)為：達(dá)到內(nèi)孔所要求的加工精度和表面粗糙度的同時(shí)，保證內(nèi)孔和外圓表面之間的形位公差。管套類零件的加工順序一般有兩種：第一種是最終精加工外圓，先從零件外圓粗加工開始，再粗、精加工零件內(nèi)孔最后精加工外圓。這種加工方案適合用于零件外圓表面是重要配合或工作表面的管套類零件。第二種方案是最終精加工內(nèi)孔，先從零件內(nèi)孔粗加工開始，再粗、精加工零件外圓，最后精加工內(nèi)孔。這種加工方案適合用于零件內(nèi)孔表面是重要配合或工作表面的管套類零件

。

管套零件圖如下(圖1)，該零件安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)接頭上，當(dāng)收上或放下對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)后，轉(zhuǎn)動(dòng)接頭隨動(dòng)，保證剛性連接導(dǎo)管無應(yīng)力。

分析該管套零件具有以下特點(diǎn)：

1、零件不規(guī)則外形，缺少定位基準(zhǔn)，錯(cuò)誤地選擇加工基準(zhǔn)加工會(huì)導(dǎo)致尺寸超差，同時(shí)零件形位公差要求嚴(yán)格，共有9處跳動(dòng)量不大于0.08mm，4處跳動(dòng)量不大于0.05mm的形位公差要求，需要在不同工種加工時(shí)要充分考慮基準(zhǔn)統(tǒng)一的要求，實(shí)物圖見圖2。

目前流行的EDA軟件都有強(qiáng)大的仿真功能，將EDA軟件引入課堂可以解決實(shí)驗(yàn)室缺少電子元件，高級(jí)檢測(cè)設(shè)備的狀況，高效，低成本的完成很多內(nèi)容的學(xué)習(xí)。如果教學(xué)中采用的EDA軟件與企業(yè)的主流選擇保持一致的話，完成教學(xué)任務(wù)的同時(shí)可以讓學(xué)生與實(shí)際工程實(shí)踐保持無縫銜接。

2、內(nèi)孔粗糙度不大于Ra0.2(接近鏡面)，公差僅為0.021mm，只能在工裝夾具裝夾時(shí)設(shè)備基準(zhǔn)、夾具基準(zhǔn)以及零件加工基準(zhǔn)要絕對(duì)一致，保證零件加工過程中的絕對(duì)穩(wěn)定。

1、采用普銑對(duì)毛坯料進(jìn)行銑方，保證各面的平行度及垂直度，作為后續(xù)加工的粗基準(zhǔn)，同時(shí)為保證零件強(qiáng)度，長(zhǎng)度需沿金屬流線方向，后進(jìn)行超聲波探傷檢查。

4、零件配合孔尺寸為φ8，公差為-0.015，缺少加工該尺寸的成型刀具。

(3)單位面積上的切削力大：由于切屑與刀具前刀面的接觸長(zhǎng)度極短，導(dǎo)致刀具單位接觸面積上的切削力大大增加，容易造成刀具崩刃。與此同時(shí)，由于鈦合金材料的彈性模量E小，加工時(shí)在刀具徑向力的作用下材料容易產(chǎn)生彎曲變形，引起振動(dòng)，大大加劇刀具磨損并影響零件的精度。因此，在切削鈦合金材料時(shí)要求數(shù)控加工設(shè)備應(yīng)具有較高的剛性。

(1)變形系數(shù)?。哼@是鈦合金材料切削加工時(shí)的顯著特點(diǎn)，變形系數(shù)≤1。在切削加工過程中，切屑在刀具前刀面上滑動(dòng)摩擦的路程大大增加，大大加劇刀具的磨損。

(2)切削溫度高：由于鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ很小(僅為鋼材的14%～20%)，切削時(shí)產(chǎn)生的熱量不易傳出，主要集中在切削區(qū)和切削刃附近的范圍內(nèi)，切削溫度很高。在相同的切削條件下，切削溫度可比切削鋼材時(shí)高出一倍以上。

5、零件材料為鈦合金。鈦合金的密度一般在4.51g/cm

左右，但鈦合金的強(qiáng)度超過了高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度。因此鈦合金材料的比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度)遠(yuǎn)大于其他種類金屬材料，可以制出剛性好、單位強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的零部件

?；阝伜辖鸩牧系膹?qiáng)大優(yōu)勢(shì)，航空飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件、起落架、骨架、蒙皮及緊固件等部位都廣泛使用鈦合金。但鈦合金材料相比于其他種類材料不易加工，原因主要為：當(dāng)鈦合金材料的硬度大于HRC37.7(洛氏硬度)時(shí)切削加工特別困難，硬度小于HRC37.7時(shí)則容易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，也難于切削。但鈦合金材料的硬度只是不易加工的一個(gè)因素，關(guān)鍵在于鈦合金材料本身物理、化學(xué)和力學(xué)性能之間對(duì)其切削加工性的綜合影響。鈦合金材料有如下切削特點(diǎn)：

2、加工中心利用普銑的粗基準(zhǔn)加工零件外形，考慮零件精度要求極高以及為保證后續(xù)數(shù)控車加工基準(zhǔn)的精確性，不能采用普通一次裝夾完成所有外形加工，經(jīng)過綜合考慮，需要采用4次裝夾完成外形加工。第1次裝夾—加工接頭外形，柱型外圓留余量；第2次裝夾—加工叉形并完成配合孔的位置粗加工；第3次裝夾—去除大余量，粗加工柱型外圓；第4次裝夾—采用特殊螺旋加工策略精加工柱型外圓，三維模型見圖3。

中線輸水總干渠北京段因采用管道輸水需增加加壓泵站，由此發(fā)生提水泵站的耗電量費(fèi)用，建議根據(jù)北京段加壓泵站實(shí)際耗電量和電價(jià)計(jì)算動(dòng)力費(fèi)。

(5)刀具磨損嚴(yán)重：鈦合金材料毛坯經(jīng)過鍛造、沖壓、熱軋等工藝方法加工后，表面會(huì)形成硬而脆而且不均勻的外皮，極易導(dǎo)致刀具產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象，使得切除材料表面硬質(zhì)外皮成為鈦合金材料加工中最困難的工序。與此同時(shí)由于鈦合金材料對(duì)刀具材料的化學(xué)親和性強(qiáng)，在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下，刀具很容易與鈦合金產(chǎn)生粘結(jié)而導(dǎo)致刀具磨損。在車削鈦合金材料時(shí)，有時(shí)刀具前刀面的磨損甚至比刀具后刀面的磨損更為嚴(yán)重。當(dāng)進(jìn)給量小于0.1時(shí)，磨損主要產(chǎn)生在刀具后刀面上。當(dāng)進(jìn)給量大于0.2時(shí)，磨損主要產(chǎn)生在刀具前刀面上。

在銑削加工中，由于鈦合金材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ低，而且切屑與刀具前刀面的接觸長(zhǎng)度極短，切削時(shí)產(chǎn)生的熱量不易傳出，主要集中在切削變形區(qū)和刀具切削刃附近的范圍內(nèi)，加工時(shí)刀具切削刃刃口處會(huì)產(chǎn)生極高的溫度，大大縮短刀具壽命。

在切削鈦合金材料的過程中，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

(1)由于鈦合金材料的彈性模量E小，工件會(huì)在加工中因夾緊和切削力的作用下產(chǎn)生變形，降低工件的加工精度。所以工件在裝夾時(shí)夾緊力不宜過大，必要時(shí)可增加輔助支承裝置。

(2)如果切削過程中使用含氫的冷卻液，由于切削熱量大切削過程中冷卻液在高溫作用下將分解釋放出氫氣被鈦合金材料吸收引起氫脆現(xiàn)象，也會(huì)引起高溫應(yīng)力腐蝕而導(dǎo)致材料開裂。

(6)通常切削加工鈦合金材料時(shí)，沒有發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，只有在小進(jìn)給量切削時(shí)，切下的細(xì)小切屑才有燃燒現(xiàn)象。為了避免發(fā)生火災(zāi)，除大量澆注冷卻液之外，還應(yīng)防止切屑在機(jī)床內(nèi)堆積，同時(shí)刀具磨損后應(yīng)立即進(jìn)行換新，或降低切削速度并加大進(jìn)給量以加大切屑厚度。若一旦發(fā)生火災(zāi)，應(yīng)采用干砂進(jìn)行撲滅，嚴(yán)禁使用二氧化碳滅火器。

這十年的時(shí)間里，王寶生因?yàn)殚L(zhǎng)期居住在這種潮濕環(huán)境當(dāng)中，他患上了風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎和腰間盤突出，但他并沒有因此放棄也沒有因此偷懶，清理防火線的雜草和落葉也是王寶生的一項(xiàng)重要工作，幾乎每隔幾天他就會(huì)拿起掃把沿著近兩公里的防火線進(jìn)行清掃。在中軍帳景區(qū)內(nèi)有七棵古樹是“文物級(jí)”的寶貝，一旦下雪，王寶生也會(huì)下山及時(shí)清理松枝上的積雪。

到了20世紀(jì)90年代，為了滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求，全國(guó)擴(kuò)建和新建農(nóng)藥企業(yè)蔚然成風(fēng)，農(nóng)藥生產(chǎn)企業(yè)在全國(guó)各地快速涌現(xiàn)。新世紀(jì)以來，農(nóng)藥業(yè)發(fā)展進(jìn)入黃金時(shí)期，農(nóng)藥廠的規(guī)模越來越大，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)也逐步顯現(xiàn)，集團(tuán)化、規(guī)?；?、現(xiàn)代化水平越來越高，農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)顯示出較強(qiáng)的發(fā)展勢(shì)頭。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著改革開放的不斷深入，進(jìn)一步促進(jìn)了我國(guó)農(nóng)藥工業(yè)發(fā)展，消費(fèi)與生產(chǎn)兩旺，產(chǎn)業(yè)一片繁榮。

親愛的張校長(zhǎng)，謝謝您今天見證我們的畢業(yè)禮！張校長(zhǎng)，我真的非常尊敬您，感激您！您是我見過的最好的校長(zhǎng)，您經(jīng)常去食堂巡視，問同學(xué)們吃得飽不飽，吃得好不好。您也極力改善學(xué)校的伙食，想讓同學(xué)們吃好又吃飽……

(5)與鈦合金材料接觸的所有工裝夾具和其他裝置都必須保持清潔。經(jīng)清洗后的鈦合金零件，要及時(shí)做好產(chǎn)品防護(hù)工作，防止油脂污染，否則可能會(huì)造成應(yīng)力腐蝕。

(4)嚴(yán)禁使用含鉛、銅、錫、鎘或鋅基合金制作的工裝夾具與鈦合金材料接觸。

(3)切削加工后應(yīng)立即用不含氯的清洗劑清洗零件，清除含氯殘留物，保持零件清潔。

二、解決方案

3、零件內(nèi)孔槽為放置密封膠圈槽，為保證密封膠圈良好的密封性，要求產(chǎn)品不能有尖邊的同時(shí)又不能有較大的圓角，7個(gè)內(nèi)孔槽均要滿足R0.1max共8處，R0.2～R0.4共12處，R0.3～R0.5共8處的要求。

森林高火險(xiǎn)預(yù)警期，所有撲火隊(duì)員保持24h通信暢通，整裝待命，全員處于臨戰(zhàn)戒備狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)有火情，根據(jù)森林防火應(yīng)急預(yù)案，以最快速度出擊，快速撲救，確保實(shí)現(xiàn)“打早、打小、打了”。撲火隊(duì)員到有關(guān)鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、場(chǎng)撲救的，隊(duì)員必須服從上級(jí)指揮官指揮。

(4)冷作硬化現(xiàn)象嚴(yán)重：由于元素鈦的化學(xué)活性大，在高的切削溫度下，很容易跟空氣中的氧和氮產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成硬而脆的氧化層，同時(shí)切削過程中材料產(chǎn)生的塑性變形而導(dǎo)致材料內(nèi)部位錯(cuò)塞積也會(huì)造成表面硬化。冷作硬化現(xiàn)象不僅會(huì)降低零件的疲勞強(qiáng)度，而且能加劇刀具的磨損，是切削鈦合金材料過程中一個(gè)很明顯的特點(diǎn)。

3、利用加工中心粗加工的配合孔，將現(xiàn)有鉸刀刃磨為錐度鉸刀，再采用鉆孔—錐度鉸孔—鉸孔—精鉸孔的方式保證配合孔φ8 0 -0.015的尺寸要求。

4、數(shù)控車?yán)靡淹瓿傻闹屯鈭A作為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)一套夾具(圖4)，平端面保證平面度及與柱型外圓的垂直度在0.01mm以內(nèi)，半精加工內(nèi)孔為φ18。

③在實(shí)行政府補(bǔ)助與農(nóng)民自籌掛鉤，多籌多補(bǔ)、先干后補(bǔ)等政策基礎(chǔ)上，加大一事一議、民辦公助、以獎(jiǎng)代補(bǔ)、財(cái)政貼息等扶持政策，降低農(nóng)民自籌資金比例，支持坑塘建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施。

以上完成后利用加工的φ18孔和端面為定位基準(zhǔn)設(shè)計(jì)一套通用精密夾具(圖5)，該夾具滿足以下要求：①一次裝夾完成三處接頭孔加工，各孔距離公差為0.1mm；②夾具襯套兩端面平行度在0.005mm以內(nèi)，以保證加工基準(zhǔn)與設(shè)備基準(zhǔn)的絕對(duì)統(tǒng)一；③夾具軸與零件孔間隙配合，但配合間隙不大于0.01mm，以保證接頭孔的垂直度；④夾具固定孔與零件配合孔的同軸度在0.015mm以內(nèi)，以保證零件左右移動(dòng)時(shí)均可以與夾具固定；⑤零件裝夾方便，容易拆卸。

完成三處接頭孔的加工后，用內(nèi)孔和端面半精加工的夾具裝夾，用百分表找正接頭孔，保證接頭孔與柱型孔的垂直度在0.005mm內(nèi)，柱型孔直線度在0.005mm內(nèi)，結(jié)合設(shè)備自身精度(0.005mm)精加工內(nèi)孔，以保證內(nèi)孔公差0.021mm，同時(shí)為保證粗糙度Ra0.2要求，采用數(shù)控成型刀

，刀尖R0.2，分為粗、半精、精加工多次進(jìn)刀(圖6)，再經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，確定精加工參數(shù)：轉(zhuǎn)速500r/min左右，進(jìn)給量不大于0.1mm，滿足粗糙度要求。

⑤蔣介石自己也承認(rèn)，“國(guó)府成立以來，各種設(shè)施，百分之九十九悉依漢民之主張”(《國(guó)府紀(jì)念周蔣主席報(bào)告胡辭職經(jīng)過》，《大公報(bào)》1931年3月6日，第1張第3版)。

內(nèi)孔精加工完成后，加工另一端內(nèi)孔及外圓倒角，為保證公差0.021mm，倒角與內(nèi)孔的同軸度需在0.01mm內(nèi)，只能用已精加工完成的內(nèi)孔為定位基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)一套自定心內(nèi)漲夾具(圖7)，該夾具內(nèi)部裝有彈簧，彈簧與錐度銷鏈接，錐度銷另一端鏈接內(nèi)六方螺栓，彈簧提供向右軸向力，螺栓旋緊時(shí)錐度銷提供向左軸向力，從而將外圓漲開，夾緊零件，完成內(nèi)孔及外圓倒角的加工。

最后進(jìn)行消除應(yīng)力和熒光探傷，滿足圖紙要求后產(chǎn)品成功交付。

三、總結(jié)

此零件的研制過程，充分體現(xiàn)了車間多工序相互配合，集車間技術(shù)人員、操作人員、設(shè)備所有力量于一體，保證產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。設(shè)計(jì)的三套專用夾具入配套庫(kù)供下次加工使用。此項(xiàng)目負(fù)責(zé)人通過文獻(xiàn)查閱、實(shí)踐研究自主解決加工高難度復(fù)雜管套類零件的創(chuàng)新嘗試難題。車間技術(shù)、技能人員積累了大量相關(guān)的加工思路和成功經(jīng)驗(yàn)。項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)推廣后會(huì)在以后的類似零件加工問題中起到很大的指導(dǎo)作用，有效的提高問題的解決效率。通過項(xiàng)目也鍛煉提升了車間人員解決疑難問題的能力、帶動(dòng)了技術(shù)人員對(duì)管套類零件加工的工藝、金屬材料特性分析、夾具設(shè)計(jì)、三維建模技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)等方面知識(shí)的學(xué)習(xí)熱情。工廠外購(gòu)該零件單件成本為四千余元，而我們生產(chǎn)的管套單件需花費(fèi)原材料、人力、物力總成本約一千余元，為工廠節(jié)約了大量修理成本。

[1]彭城，張秀華.大型管套類零件的加工[J].礦山機(jī)械，2003(05):59-60.

[2]劉雁蜀,王天琦.管類零件軸線直線度處理方法研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008(12):144-146.

[3]韓志仁，鄭暉，賀平.飛機(jī)制造技術(shù)基礎(chǔ)——機(jī)械加工[M]，北京航空航天大學(xué)出版社，2022.

[4]崔忠圻，覃耀春.金屬學(xué)與熱處理[M]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2021.

[5]薛巖，于明.機(jī)械加工精度測(cè)量與質(zhì)量控制[M]，化學(xué)工業(yè)出版社，2019.