一种薄壁筒件的车削加工工艺.pdf

制造技术 工艺装备现代制造工程 M o d e mM a n u f a c t u r i n gE n g i n e e r i n g 2 0 1 3 年第1 2 期 一种薄壁筒件的车削加工工艺 赵玉峰 中国石化石油工程技术研究院德州大陆架石油工程技术有限公司 德州2 5 3 0 0 5 摘要 薄壁筒件刚性差 强度弱 机加工过程中极易变形 不能保证加工质量 因此 以某公司的典型薄壁筒件塞环为 例 详细阐述了其车削加工工艺流程 刀具 夹具以及切削参数的选择 最终确定了塞环由u r c 艺 实践证明 该加工工 艺不仅使零件质量稳定可靠 而且刀具损耗少 加工效率高 关键词 薄壁筒件 工装夹具 加工工艺 夹紧力 切削参数 中图分类号 T H l 6文献标志码 B文章编号 1 6 7 1 3 1 3 3 2 0 1 3 1 2 删3 0 4 A m a c h i n i n gt e c h n o l o g yo ft h i n w a l l e dt u b u l a rp a r t s Z h a oY u f e n g S I N O P E CR e s e a r c hI n s t i t u t eo fP e t r o l e u mE n g i n e e r i n g D e z h o uS h e l f o i lP e t r o l e u m E q u i p m e n t S e r v i c e sC o L t d D e z h o u2 5 3 0 0 5 S h a n d o n g C h i n a A b s t r a c t T h i n w a l l e dt u b u l a rp a r t sw i t hp o o rr i g i d i t ya n dl o ws t r e n g t h e a s i l yd e f o r mi nm a c h i n i n gp r o c e s s T h em a c h i n i n gq u a l i t y c a n tb eg u a r a n t e e d T h e r e f o r e t a k i n gt h et y p i c a lt h i n w a l l e dt u b u l a rp a r t p i s t o nr i n g a sa ne x a m p l e i t sm a c h i n i n gp r o c e s si sd e t a i l e d T o o l s f i x t u r e s a n dc u t t i n gp a r a m e t e r sa r es e l e c t e d F i n a l l y t h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fp i s t o nr i n gi sd e t e r m i n e d P r a c t i c e h a sp r o v e dt h a tt h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ym a k e sp a r t Sq u a l i t ys t a b l ea n dr e l i a b l e w i t hl e s st o o lw e a ra n dh i g hp r o c e s s i n ge f f i c i e n c y K e yw o r d s t h i n w a l l e dt u b u l a rp a r t s c l a m p i n gf i x t u r e p r o c e s s i n g c l a m p i n gf o r c e c u t t i n gp a r a m e t e r s 1 薄壁筒件的特点 薄壁筒件直径与壁厚的比值较大 一般大于1 0 就 属于薄壁筒件 具有重量轻 节约材料等优点 但也存 在着刚性差 强度弱的缺点 在加工过程中极容易发生 变形 不易保证零件的加工质量 车削薄壁筒件时 尤 其是壁厚小于5 m m 时 由于零件的刚性很差 当三爪卡 盘装夹时用力不当极容易产生 桃子 形状 而且在车 削过程中受车刀切削力和切削热的作用 也会出现振动 和变形 这些变形主要有以下几种情况u 引 受力恢复变形 因工件壁薄 在夹紧力的作用下 会产生变形 当采用三爪卡盘装夹薄壁筒类零件时 在夹紧力的作用下 零件会变成三角形 导致内孔加 工时圆周余量不均 当内孔加工完毕 松开卡爪取下 零件后 由于弹性恢复和内应力变形 零件恢复成圆 柱形 而已经加工好的圆形内孔会变成弧状三角形 受力恢复变形如图1 所示 中国石化科技开发部重大项目 P 1 1 0 5 2 周 图1 受力恢复变形 受热变形 因工件较薄 切削热会引起工件热变 形 特别是对于一些线膨胀系数较大的金属薄壁筒 件 受热影响的变形很大 振动变形 因工件较薄 在切削力的作用下 薄壁 筒件容易产生振动和变形 2 典型薄壁筒件原有加工工艺 塞环是典型的薄壁筒件 其材料为3 5 C r M o 塞环 7 3 万方数据 2 0 1 3 年第1 2 期现代制造工程 M o d e mM a n u f a c t u r i n gE n g i n e e r i n g 的精度要求很高 尺寸公差范围在0 1 m m 以内 而且 对同轴度 圆度也有较高要求 5 寸塞环的实物和结 构如图2 和图3 所示 图2 塞环 图3 塞环结构 塞环原有的加工工艺如下 用机床卡爪夹紧一长段毛坯料外圆的一端 在另 一端粗车外圆和内孔 平端面 外圆和内孔分别留余 量为2 m m 待其冷却后 半精车外圆 内孔和内外密封 槽 留余量均为0 2 m m 再待其冷却后 精车内 外圆 的密封槽到图样尺寸 再待其冷却后 精车外圆和内 孔到图样尺寸 最后用切刀将塞环从长坯料上切下到 图样尺寸 然后在同一块坯料上进行下一个塞环的 加工 整个过程中不拆卸长毛坯料 从粗车到半精车 再到精车都在同一个机床上完成 尽管在加工过程中未使用夹具使其受夹紧力 也 进行了冷却处理 然而 一方面由于毛坯加工处距离 固定处长度偏大 很容易发生振动 跳动 另一方面塞 环从毛坯料上切下的时候 已经是薄壁件了 这个过 程中容易发生变形 因此 还是常出现尺寸超差等现 象 而且由于频繁换刀和冷却处理 导致加工效率非 7 4 常低 平均1 5 h 才能完成1 个塞环的加工 3 创新典型薄壁筒件加工工艺 由于原有加工工艺常发生尺寸超差现象 而且加 工效率极低 根据工件情况 重新设计了塞环加工工 艺 由于是薄壁筒件 在设计加工工艺时 主要考虑 到工艺工序 夹具设计 夹紧力选择 刀具选择和切削 参数选择等因素 3 1 新工艺工序 塞环的新工艺工序为 下料 调质 粗车 半精 车一找正 精车 调质完成后分为粗车和精车两个 阶段 粗车时还不属于薄壁件 夹紧力可稍大 虽然有 变形 但由于切削余量较大 不会影响工件的最终精 度 粗车内容为粗车外圆和内孔 平端面 精车时 夹 紧力须稍小 一方面夹紧变形小 另一方面可以使粗 加工产生的热变形在精车时得到纠正 精车前先外 圆找正 然后夹住外圆精车内孔和内孑L 密封槽 平端 面 再用卡爪撑起内圆 精车外圆和外圆密封槽 平 另一端面 3 2 专用工装夹具设计 由于半精车完毕后 可能会存在受力恢复变形现 象 导致外圆和内孔不圆 而且同轴度较差 因此 精 车之前必须找正 鉴于塞环是薄壁筒件 常规的外夹 或内撑的找正方法不能确保找正后外圆或者内孑L 是 正圆 因此 找正时必须避免薄壁筒件径向受力 按 照这个设计思想 笔者设计了一套加工塞环专用的找 正工装 如图4 所示 图4 塞环找正工装 塞环找正工装的使用如图5 所示 工装1 左端靠 卡爪夹紧 右端连接塞环半精车件 工装2 右端用顶尖 顶住 左端连接塞环半精车件 塞环半精车件在中间 被工装1 和工装2 夹紧 塞环半精车件内孑L 与工装1 和工装2 的配合属间隙配合 此时 半精车件被悬空 只有轴向夹紧力 没有径向夹紧力 因此 该工装有 万方数据 赵玉峰 一种薄壁筒件的车削加工工艺2 0 1 3 年第1 2 期 效地解决了塞环半精车件外圆找正后不是正圆的 问题 塞环半精车件工装2 的夹紧力分别精车塞环外圆和内孔 测量其尺寸并记 录 重复实验3 次 实验结果如表1 表3 所示 表1第一次实验夹紧力与塞环尺寸对照 雀器 装夹M 助P a 舡蜊 器舞篙 悯n u n 幽5 找止 L 装使用 J i 总幽 精车塞环时 为减小夹紧变形和使变形均匀 应 尽可能地使径向夹紧力 或内撑力 沿圆周均匀分布 所以 需加大装夹接触面积 机床自带的三爪卡盘装 夹接触面积小 夹紧力 或内撑力 集中在圆周三个方 向的点上 极易引起变形 不能满足塞环的精度要求 因此 针对塞环的精度要求 专门设计了三圆弧软爪 夹具 外圆夹紧卡爪如图6 所示 内孔撑紧卡爪如图7 所示 图6 外圆夹紧卡爪 图7 内孔撑紧卡爪 三圆弧软爪增加了装夹接触面积 使夹紧力均匀 地分布在塞环上 塞环不易变形 该卡爪的使用 避 免了受力恢复变形现象 极大地提高了塞环的加工精 度 能使尺寸公差保持在0 0 5 m m 以内 3 3 夹紧力的选择 由于薄壁筒件钢性较差 对于5 寸塞环来说 最薄 处仅为2 1 m m 加紧力过大会使塞环变形 而加紧力 过小 导致加工过程中发生振动和错位 造成废品 为此 笔者进行了一个夹紧力实验 实验目的 在其他条件不变的情况下选取合适的 夹紧力 实验设备与材料 马扎克Q T 3 0 0 数控卧式车床1 台 粗车后的5 寸塞环坯料2 5 个 5 寸外圆夹紧卡爪1 个 5 寸内孑L 撑紧卡爪1 个 游标卡尺1 把 百分表 1 块 实验内容 在其他条件不变的情况下 采用不同 表2 第二次实验夹紧力与塞环尺寸对照 装夹M 压P a 力 加工现象 塞N 环寸 外m 圆m黄荨 内m 圆m 表3第三次实验夹紧力与塞环尺寸对照 装夹M 压P a 力 加工现象 塞环外圆 尺寸 r a m 塞环内圆 尺寸 m m 通过实验可以得知 当夹紧力小于0 1 M P a 时 有 明显的跳动 根本无法加工 当夹紧力为0 2 M P a 时 尺寸公差稍微超差 当夹紧力为0 6 M P a 时 虽然没 有尺寸超差 但是3 次实验中 有2 次实验结果都达到 了图样要求允许的最大尺寸公差 为了避免偶然超 差 尽量不选0 6 M P a 而夹紧力在0 3 0 5 M P a 时 尺寸公差都在图样要求范围之内 加工效果较为理 想 因此 选取0 3 0 5 M P a 的夹紧力较为合适 3 4 刀具的选择 塞环车削时所需的刀具有外圆车刀和内孔车刀 等 要保证工件的尺寸精度和表面粗糙度 关键是外 圆精车刀和内孔精车刀的几何形状和几何参数 车 7 5 万方数据 2 0 1 3 年第1 2 期现代制造工程 M o d e mM a n u f a c t u r i n gE n g i n e e r i n g 刀前角影响车刀主切削刃的锋利程度和强度 影响着 切削变形和切削力 前角大 切削变形和摩擦力减 小 切削力减小 但前角太大 车刀的楔角过小 切削 刃的强度和散热变差 磨损加快 车刀后角也影响车 刀的主切削刃的锋利程度和强度 同时后角也影响车 刀后面与工件间的摩擦 后角大 主切削刃锋利 摩 擦力小 切削力也相应减小 但后角过大也会使车刀 的强度减弱旧J 主偏角影响主切削刃的受力 导热能 力和切屑厚度 车薄壁零件的内 外圆时 取大的主 偏角 副偏角影响副切削刃与工件已加工表面间的 摩擦和表面粗糙度 减小副偏角 可以减小工件的表 面粗糙度值 但是会增加车刀对工件的背向力 粗车 时 取较小的副偏角 精车时取较大的副偏角 经过 分析 精车时分别采用瑞士山特维克公司生产的主偏 角较大的菱形外圆刀片和内圆刀片进行加工 3 5 切削参数的选择 切削三要素包括背吃刀量 进给量和切削速度 薄壁零件车削时非常容易产生变形 背吃刀量和进给 量同时增大 切削力也增大 变形也大 对车削薄壁零 件极为不利 减少背吃刀量 增大进给量 切削力虽 然有所下降 但工件表面残余面积增大 表面粗糙度 值增大 使强度不好的薄壁零件的内应力增加 同样 也会导致零件变形H j 所以 粗加工时背吃刀量和进 给量可以取大些 精加工时可以取小些 经过长时间的加工经验 精车塞环时选用的切削 参数为 背吃刀量取0 2 0 3 m m 进给量取0 1 5 0 1 8 m m r 甚至更小 切削速度取1 0 0 1 5 0 m m m i n 合理选用切削用量三要素就能减少切削力 从而减少 变形 有效地保证了零件的尺寸精度 形位精度和表 面粗糙度 4 典型薄壁简件加工工艺 4 1 新加工工艺 1 按照常规方法半精车塞环 此处不做详细说 明 2 精车前找正 用自制的找正工装径向悬空轴 向夹紧塞环半精车件 找正工件 车外圆 外圆加工 余量留2 m m 3 精车内孔和内孔密封槽 用自制的三圆弧软 爪卡盘夹紧外圆 用内圆刀精车内圆和内圆密封槽 使得内圆尺寸 密封槽深度达到图样要求 然后平 端面 4 精车外圆和外圆密封槽 用自制的三圆弧软 7 6 爪卡盘撑住内孔 用外圆刀精车外圆和外圆密封槽 使得外圆达到图样要求 密封槽深度达到图样要求 然后平端面 使塞环总长为3 3 m m 5 倒角及去毛刺 4 2 精车切削用量确定 1 精车内孔时 主轴转速为3 0 0 m i n 进给速度为 0 1 5 m m r 背吃刀量为0 3 m m 2 精车外圆时 主轴转速为3 0 0 r m i n 进给速度 为0 1 5 m m r 背吃刀量为0 3 m m 采用以上加工工艺加工的塞环 不仅能够1 0 0 保证尺寸不超差 而且极大地提高了加工效率 平均 O 5 h 就能加工1 件塞环 5 结语 本文以薄壁筒件塞环为例 详细描述了其加工工 艺 经实际加工生产检验 同轴度 圆度和精度完全符 合工件的工