薄壁瓦制造工艺及其工装设计

1、薄壁瓦制造工艺及其工装设计第1章 绪论1.1 选题背景、目的和意义工业汽轮机是一种将热能（蒸汽）转化为机械能（涡轮）动力的，是能量转换中的关键技术装备。工业汽轮机分为工业驱动气轮机和工业发电汽轮机。工业驱动汽轮机，其用户主要分布在石化、炼油、化工、化肥、冶金、火力发电、制药、水泥、造纸等领域。发电汽轮机，其用户主要分布在城市区域热电联产、企业自备电站、城市垃圾电站等领域。 近些年，由于设备及燃料价格日益上涨，当前汽轮机用户较过去更加重视高效率和低投资，近年来，汽轮机的研究发展集中在低缸部分。然而，薄壁瓦作为十分重要的部件，在备用件生产方面，国内存在技术问题，使得设备使用成本上升。 我国薄壁瓦市

2、场发展迅速，产品产出持续扩张，国家产业政策鼓励薄壁瓦产业向高新技术产品方向发展，国内企业对新增投资项目投资逐渐增多，促使国内对于机械设备备用件生产上的技术水平得到提高，从而使得国内机械设备的使用成本降低。1.2 机械加工工艺现状1.3 主要设计思路和内容内容包括： 对薄壁瓦的使用及技术条件进行分析；对薄壁瓦材料以及毛坯的选择；薄壁瓦加工工艺及热处理工艺的确定；工序余量、工差、尺寸链的计算；主要表面切削用量的计算。具体技术路线是： 调研，查阅相关文献资料，了解目前薄壁瓦加工工艺状况。 通过分析了解薄壁瓦使用及技术条件，选择材料及毛坯； 确定薄壁瓦加工工艺，确定工序尺寸、工序公差、切削用量，并绘制

3、详细的加工工艺卡片，最后进行优化设计。1.4 预期设计结果第2章 薄壁瓦加工工艺分析2.1 薄壁瓦使用状况及工艺设计要求2.2 薄壁瓦的结构特点和工艺分析2.3 零件的技术要求分析2.3.1 加工表面的尺寸精度、形状精度和位置精度 薄壁瓦加工尺寸、精度要求，如图2.1.1、2.1.2所示：图2.1.1 薄壁瓦加工尺寸、精度要求图2.1.2 薄壁瓦加工尺寸、精度要求2.3.2 加工表面粗糙度以及表面质量方面的其它要求2.4 零件的结构工艺性能分析第3章 薄壁瓦工艺规程设计3.1 材料分析3.2 确定毛胚的种类和制造方式3.3 毛胚形状与尺寸的确定3.4 工艺路线的制定3.4.1 加工方法的选择表

4、3.1 常用加工方案所能达到的经济加工精度和表面粗糙度：表1-6外圆表面加工方案的经济精度和表面粗糙度序号加工方案经济精度等级表面粗糙度Ra/m适用范围1粗车IT11级以下5012.5适用于淬火以外的各种金属零件加工2粗车-半精车IT8106.33.23粗车-半精车-精车IT781.60.84粗车-半精车-精车为-滚压(或抛光)IT780.20.0255粗车-半精车-磨削IT780.80.4主要用于淬火钢，但不宜用于有色金属6粗车-半精车-磨削-精磨IT670.40.17粗车-半精车-磨削-精磨-超精工IT50.10.0128粗车-半精车-精磨-金刚石车IT560.40.025主要用于要求较高

5、的有色金属9粗车-半精车-粗磨-精磨-超精磨(镜面磨削)IT50.080.008主要用于淬火钢，也用于未淬火钢，但不宜用于有色金属10精车-半精车-粗磨-精磨- 研磨IT50.320.008表3.2 常用加工方法所达到的经济加工精度和表面粗糙度：加工表面加工方法经济精度等级IT表面粗糙度Ra/m外圆柱面粗 车细 车精 车金刚石车1113910785612.5501.66.30.81.60.0251.25粗 磨精 磨68570.40.80.10.4研 磨超精加工5650.040.10.0120.1圆柱孔钻 孔扩 孔111310113.2501.612.5粗 铰精 铰810781.63.20.20

6、.8粗 镗细 镗精 镗1213911786.312.51.63.20.40.8粗 磨精 磨78670.20.80.10.2珩 磨研 磨67560.040.20.1拉 孔680.41.6平面粗刨、粗铣半精刨、半精铣111381012.5501.66.3拉 削780.83.2粗 磨精 磨79670.83.20.20.8研 磨刮 研56570.10.20.8表3.3 基于上述要求，将重要的表面的最终加工方法列于如下:加工表面尺寸精度等级表面粗糙度等级Ra/ m最终加工方案备注外圆表面IT9-103.2细车见图IT9-113.2细车见图IT6-80.8粗磨见图内圆表面IT9-111.6细车见图IT9-

7、113.2细车见图IT7-80.4精镗见图对口面IT6-70.4精磨见图3.4.2 加工阶段的划分3.4.3 工序的集中与分散3.4.4 工序路线方案的确定表3.4 薄壁瓦加工工艺过程编排：工序号工序工序内容定位基准加工设备预先热处理1备料轧制圆钢2热处理正火处理3车车割试样，保证总长以及内外圆的光洁度，垂直度外圆4检验检验瓦壳尺寸5钳工浇注巴氏合金层，确保合金厚度尺寸6热处理人工时效处理加工阶段7车加工两端面，确保尺寸和垂直度外圆8检着色检查合金浇铸质量9车加工内外圆尺寸，保证内外圆光洁度，同心度外圆10铣钻孔，保证尺寸精度中心线11磨加工外圆光洁度，消除外圆棱角外圆12划线划分剖分线以孔中

8、心线13线切割切割工件中心线14镗镗垃圾槽中心线15磨加工对口面，保证光洁度，修整对口面中心线16检复测检验模孔径尺寸17镗镗定位唇缺口加工阶段18钳冲定位唇19电镀表面镀锡20镗内孔光洁度、壁厚加工21检按图总检22钳清洗，油封包装入库3.4.5 工艺路线分析3.4.6 工序设计3.4.7 加工余量的确定3.4.8 确定加工余量的方法1) 分析计算法在影响因素清楚、统计分析资料齐全的情况下，可以采用分析计算法，用式计算出来。计算时，应根据所采用的加工方法特点，将计算合理简化。对于单边余量 对于双边余量2) 查表法查表法是根据根据提供的资料查出各表面的总余量以不同加工方法的工序余量，方便迅速，

9、使用广泛。但表中提供的数据不一定与具体加工情况完全相符，余量值大多偏大，须根据工厂的具体情况加以修正。3) 经验法经验法由一些有经验的工艺设计人员或工人根据经验确定的余量。这种方法大都用于单件小批量生产。综合本课题为大批量生产方式，轴类零件的加工，采用查表的方法。确定工序间加工余量的选用原则：a) 为缩短加工时间，降低制造成本，应采用最小的加工余量。b) 加工余量应保证得到图样上规定的精度和表面粗糙度。c) 要考虑零件热处理时引起的变形，否则可能产生废品。d) 要考虑采用的加工方法、设备及加工过程中零件可能产生的变形。e) 要考虑被加工零件尺寸大小，尺寸越大，加工余量大，因为零件尺寸增大后，由

10、切削力、内应力引起的变形的可能性也增加。f) 选择加工余量时，还要考虑工序尺寸公差的选择。因为公差工的界限决定加工余量的最大尺寸与最小尺寸。其工序公差不应超出经济加工精度的范围。g) 本工序的余量应大于上一工序留下的表面缺陷层厚度。h) 本工序的余量必须大于上工序的尺寸公差和几何形状公差。表3.5 粗车外圆精车外圆余量轴的直径d零件长度粗车外圆的公差100100250250500500800800120012002000直径余量100.60.8110180.70.911.10.1818300.911.11.31.40.213050111.11.31.51.70.2550801.11.11.21

11、.41.61.80.3由上表可选精车余量为1.1公差为0.3mm.3.4.9 工序尺寸及其公差的确定工序尺寸及其公差的确定有两种情况：一种是工序尺寸及其公差与零件上某设计尺寸或其他工序尺寸相关，需要通过解算尺寸链来确定，另一种是工序尺寸及其公差仅与工序余量有关，如加工过程中不存在基准的转换的情况。由于本课题是轴类零件其工序基准，测量基准，设计基准统一，其工序尺寸及其公差仅与公序余量有关。可按如下的方法计算。确定该加工表面的总余量，再根据加工路线确定各工序的基本余量，校核对每一道工序的加工余量是否合理。自终加工工序起，即从设计尺寸开始，到第一道工序，逐次加上或减去各工序的基本余量，便可计算出各道

12、工序的基本工序尺寸。除终加工工序外，根据工序的加工方法和经济精度等级，确定其工序工差和表面粗糙度。按入体原则以单向偏差方式标注工序尺寸，并可作适当的调整。3.5 具体制造工艺,零件和毛胚图如下图3.6.1 薄壁瓦零件图图3.6.2 薄壁瓦零件图图3.7 毛坯零件图3.5.1 壁厚和合金厚度尽寸和公差的确定 表3.8 壁厚公差：轴瓦外径双层三层双层三层合格品一等品 20450.008 0.013 0.0080.012 4575 0.0120.017 0.0080.013 751100.0130.018 0.010 0.0151102000.018 0.025 0.0150.022 表3.9 合金

13、厚度公差表：轴 瓦 合 金合 金 层 厚 度外径 110 外径110巴 氏 合 金 0.200.40 0.250.50铜 基 合 金0.300.60 0.300.70铝 基 合 金0.300.700.300.80 由表中可以得出，轴瓦巴壁厚尺寸为3mm（合金厚度1mm），公差取0.05mm.3.5.2 轴瓦半圆周长尽寸和公差的确定 表3.10 轴瓦半圆周长公差：轴 瓦 外 径 2045 4575 75110110160160200半圆周长公差0.030 0.0350.0400.0450.050 轴瓦外径为100mm，由上图可得半圆周长公差为：0.040mm。 3.5.3 轴瓦钢背和合金层表面粗

14、糙度的确定 表3.11 钢背表面粗糙度Ra值如表规定：轴 瓦 外 径 Ra（mm ）合格品 一等品 1100.80 0.63 1101.250.80 有表可得，轴瓦光洁度为0.80，但根据生产使用要求选择光洁度为1.60.表3.12 合金层表面粗糙度Ra 值按表规定：轴 瓦 合 金Ra合格品 一等品巴氏合金 0.630.40铜基合金0.800.63铝基合金 由表格可得，合金层粗糙度Ra为0.80。 3.5.4 轴瓦自由状态弹张量和宽度公差的确定 表3.13 轴瓦宽度公差按表规定：轴 瓦 外 径110 110250轴瓦宽度公差0.250.40 轴瓦钢背表面对量规座孔的贴合度应大于或等于钢背面积的

15、85%，且不贴合面应呈分散分布，其中最大面积应小于或等于钢背面积的10%。由表可得，轴瓦宽度公差为：0.25mm，而更具加工要求，我们加工工件要求更高，所以将公差定在0.1mm，使得轴瓦尺寸精度更高。 表3.14 轴瓦在自由状态时的弹张量按表规定：轴瓦外径 160 160弹 张 量 0.32.00.52.5 由表可得，弹张量为：0.3-2.0，所以在检验时，需要保持尺寸精度。 3.5.5 巴氏合金轴承浇铸过程中的温度控制及工艺 1）与浇注环节相关的温度控制 (1)钢背挂锡温度 在轴承本体（刚背）挂锡过程中，锡液温度的高低至关重要，它是浇铸质量的前提保证，挂锡温度必须严格控制，锡液温度过高，易使

16、挂锡表面氧化，形成不良过渡层，使巴氏合金与本体的结合强度降低，温度过低，易使过渡层面不均匀，其结果也会使结合质量变差，合理的温度范围宜控制在（29015）C。 (2)巴氏合金的浇注温度 巴氏合金的浇注温度是保证轴承合金各种性能指标的重要条件，对合金的金相组织分布影响最大。 浇注温度：浇注时巴氏合金温度过高，合金中形成的氧化物过多，易产生晶粒粗大，同时也是产生疏松缺陷的重要根源；温度过低，合金流动性差，而且合金液中结晶核心聚集、长大，同样也引起组织粗大，最终导致合金强度降低，合金浇注温度宜控制在（41010） C。 (3) 轴承本体的预热温度 本体预热温度是通过两个方面最终影响合金浇注质量的。一

17、是影响挂锡质量；二是影响合金的结晶度，从而影响合金的组织和性能。轴承本体预热温度预热温度过高，易使轴承本体表面氧化，影响挂锡量，温度过低，易形成激冷层，导致过渡层厚度增加，同样影响挂锡质量。浇注工件的温度控制在（18020）C。 (4) 浇注夹具的预热温度 浇注过程中所使用夹具的温度，也会局部影响轴承的浇铸质量，严重时，会使轴承局部产生热裂倾向。 夹具预热温度：夹具温度过高，使合金局部过热，不利于合金结晶；夹具温度过低，易使局部合金过早结晶，从而使合金随后的结晶过程变得不均匀。严重时，会使轴承局部产生热裂现象。主要是使浇注工件产生了一定的温度梯度。夹具的温度控制在（26015） C。 2）工艺

18、准备工作 （1）镀锡前的准备工作 轴瓦在浇铸合金前应对浇铸表面进行镀锡，在镀锡前必须进行自检。确定其浇铸合金的表面无明显氧化痕迹后方可镀锡。如发现表面有油污或其它污物，可按下面步骤清洗： 在清洗液中或者在浓度为10%-15%的苛性钠溶液（80C-100C）中清除油污或其它污物，时间一般为8min-10min。 去油污后，在70C-80C的热水中清洗，并检查其浇铸表面除油污质量，若表面无水珠存在，则可认为合格。 用浓度为8%-12%的盐酸刷洗除锈。 酸洗后，再浸入70C-80C的热水中清洗，检查浇铸表面，若无明显氧化痕迹则可认为合格。 不镀锡的表面涂一层均匀的保护剂。 保护剂配方：石墨粉+水+水

19、玻璃（2）镀锡 锡液的温度严格控制在300C-320C之间。 将瓦体放入自动控温的锡锅中加热，浸泡时间1h。 从锡液中取出瓦体，检查镀锡质量。良好的锡面应该是银白色镜面，锡液能在表面流动。若发现锡面发暗，锡层不均匀或者没有镀上锡的地方，应向该处撒上氯化铵粉末，然后用钢丝刷用力刷，再重新浸入锡液中镀锡；若锡面出现蓝、黄等颜色，说明锡液温度过高，应该立即降低锡液温度，然后重新镀锡，直到合格为止。 (3)工装的预热 搅拌工具预热至150C-200C。 浇包预热至250C-300C。 浇铸试样的模具预热至60C以上。 离心浇铸的夹具、石棉垫和浇道预热至150C-200C。 (4)轴瓦合金的浇铸 浇注前

20、，首先检查离心机及其它辅助设备的工作状况是否良好。将机器空转1min-2min，观察其运行是否正常。发现问题及时解决。 将轴瓦待浇铸表面重新刷一层助溶剂，然后放置在装夹工装中，装卡在离心机上。 注意：上述步骤进行得要迅速，保证瓦体在浇铸前温度不低于280C，否则需要重新将轴瓦浸入锡液中升温并重新镀锡。 安装浇道，启动离心机，待至规定转速后，开始浇铸。在浇铸过程中和浇铸后，要不停地向轴瓦外表面喷水冷却直至温度降至150C以下。 卸下轴瓦，放置于100C左右的炉中，缓慢冷却至室温。 薄壁瓦的尺寸技工差计算确定 封闭环：增环：减环： 基本尺寸：R=50-2-1=47mm上偏差ES：ES=+0.04-

21、（-0.065+0）=0.105下偏差EI：EI=0-（0+0.015） =-0.015所以，加工检验时应保证的尺寸及其偏差为：。3.5.7 电镀锡的原理及工艺 将直流电流的正负极分别用导线连接到镀槽的阴、阳极上，当直流电通过两电极及两极间含金属离子的电解液时，电镀液中的的阴、阳离子由于受到电场作用，发生有规则的移动，阴离子移向阳极，阳离子移向阴极，这种现象叫“电迁移” 。此时，金属离子在阴极上还原沉积成镀层，而阳极氧化将金属转移为离子。当然，离子的移动除电迁移外，还可以通过对流和扩散迁移。 图3.15 电镀装置工作简图在电镀过程中，影响镀层的因素有很多，但最重要的因素有：（1） 渡液影响：主

22、盐溶液、配离子的影响、附加盐作用；（2） PH值：如PH值上升，意味着阳极效率比阴极高；PH值下降，意味着阴极效率比阳极高。（3） 电流参数的影响：电流密度，电流波形；（4） 添加剂的影响：包括络合物、平整剂、光亮剂；（5） 温度的影响：温度升高，扩散加速，浓差极化下降，同时，温度升高，使离子的脱水过程加快，离子和阴极表面活性增强，也降低了电化学极化，所以，温度升高，阴极极化作用降低，镀层结晶粗大。（6） 搅拌影响：搅拌可降低阴极极化，使晶粒变粗；但可提高电流密度，从而提高生产效率，此外，搅拌还可增强整平剂的效果。（7） 基体金属对镀层的影响：基体金属性质的影响、表面加工状态的影响。（8） 前

23、处理的影响：镀件电镀前，需对镀件表面作精整和清理，这样才能得到健全、致密、结合良好的镀层。 第4章 设备工艺装备的选择4.1 设备的选择选择设备时应考虑以下几点：（1）机床精度与工件精度相适应。（2）机床规格与工件的外形尺寸、工序的性质。另外，机床的切削用量范围应和工件要求的合理切削用量相适应。（3）所选设备与现有加工条件相适应，如设备负荷的平衡状况等。如果没有现成设备供选用，经过方案的技术经济分析后，也可提出专用设备的设计任务书或改装旧设备。有时在试制新产品及小批生产时，较多地选用数控机车或加工中心设备，以减少工艺装备的设计与制造，从而大大缩短生产周期和提高经济性。根据现有的设备具体选择机床

24、，参见机械加工工序卡。4.2 工艺装备的选择工艺装备（简称工装）应根据生产类型、具体加工条件、工件结构特点和技术要求等进行合理选择。（1）夹具的选择。 单件小批生产应首先采用各种通用夹具和机床附件，如卡盘、机床用平口虎钳、分度头等。有组合夹具的，可采用组合夹具。对于中、大批和大量生产，为提高劳动生产率而采用专用高效夹具。中、小批生产应用成组技术时，可采用可调和成组夹具。（2）刀具的选择。一般优先采用标准刀具，必要时也可采用各种高效的专用刀具、复合刀具、多刃刀具等。刀具的类型、规格和精度等级应符合加工要求。（3）量具的选择。单件小批生产应广泛采用通用量具，如游标卡尺、百分表和千分尺等。大批大量生

25、产应采用极限量块和高效的专用检验夹具和量仪等。量具的精度需与加工精度相适应。工艺装备的选择，参见机械加工工序卡。第5章 切削用量计算5.1 削用量的选择选则切削用量主要应根据工件的材料、精度要求以及刀具的材料、机床功率和刚度等情况，在保证工序质量的前提下，充分利用刀具的切削性能和机床的功率、转矩等特性，获得高生产率和低加工成本。从刀具耐用角度出发，首先应选定背吃刀量,其次选定进给量f，最后选定切削速度v。粗加工时，加工精度和表面粗糙度要求不高，毛胚余量较大。因此，选择粗加工的切削用量时，要尽量的保证较高的金属切除率，以提高生产率；精加工时，加工精度和表面粗糙度要求较高，加工余量小且均匀。因此，

26、选择切削用量时应着重保证加工质量，并在此基础上尽量提高生产率。5.1.1 背吃刀量的选择粗加工时，背吃刀量应根据加工余量和工艺系统刚度来确定。由于粗加工时是以提高生产率为主要目标，所以在留出半精加工、精加工余量后，应尽量将粗加工余量一次切除。一般可达8-10mm。当遇到断续切削、加工余量较大或不均匀时，则应考虑多次走刀，而此时的背吃刀量依次递减，即。精加工时，应根据粗加工留下的余量确定背吃刀量，使精加工余量均匀。5.1.2 进给量f的选择粗加工时对表面粗糙度要求不高，在工艺系统刚度和强度好的情况下，可以选用大一些的进给量；精加工时，应主要考虑工件表面粗糙度要求，一般表面粗糙度数值小，进给量也相

27、应减小。5.1.3 切削速度v的选择切削速度主要应根据工件和刀具的材料来确定。粗加工时，v主要受刀具寿命和机床功率的限制。如超出了机床许用功率，则应适当降低切削速度；精加工时，高，和f选用得都很小，在保证合理刀具寿命的情况下，切削速度应选取的尽可能高，以保证加工精度和表面质量，同时满足生产率的要求。因为薄壁瓦加工切削用量无复杂要求，所以在这里不特别计算。结 论通过这次毕业设计，使我进一步熟悉了工艺规程制定，使这四年来所学的只是基本能融会贯通，同时提高了识图、绘图能力及使用各种参考资料和工具书的能力。通过前段时间的毕业实习和在实习单位的调查研究，加深了对生产过程的感性认识，并很好地培养了发现问题

28、、解决问题的能力。 本次设计的毛坯选择20/ChSnSb11-6合金工具钢轧制件，在选择加工方法的时候根据图纸的具体情况，外圆表面的加工采用的车和磨削两种方式、孔加工采用钻铰、螺纹加工采用磨削方式，丝杠部份采用旋风铣削和磨削组合的方式。另外由于课题是一薄壁零件为了防止加工过程中的变形，和残余应力的产生，采用了放入检验模压紧并且检测再加工，为了去除残余应力安排了多次的去应力热处理，在加工过程中，为了减小装夹次数带来的误差我采用了工序集中的原则，并且多次的对基准进行修研。为了保证产品的质量，在工序中安排了多次的检验，并对各外圆表面等主要工序进行了详细的余量、公差等数值，并制成详细的工艺卡片。本次设

29、计的薄壁瓦加工工艺规程及工装设计的设计，较满足加工质量、生产率和经济性要求，并结合了生产车间的实际情况。参考文献1 大连工学院工业涡轮机教研室编，年产三十万吨合成氨（工业汽轮机部分），化学工业出版社；2铸造轴承合金，GB/T1174-1992；3特殊用途汽轮机， API611-2003；4内燃机主轴瓦及连杆瓦技术条件，GB1151-1993；5振动、轴向位置和轴承温度检测系统，API670- ；6主油泵轴瓦合金的熔炼与浇铸，2004-4；7巴氏合金轴承浇注过程中的温度控制，TG244；8王启平主编.机床夹具设计. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996.29王选逵主编.机械制造工艺学.北京：机械工业出版社，1995.1110孟少农主编.机械加工工艺手册 第1卷.北京：机械工业出版社，1991.911吴宗泽. 机械零件设计手册M.北京：机械工业出版社，2003.1112邹青主编机械制造技术基础课程设计指导教程.北京：机械工业出版社，2008.113甘永立主编几何公差与检测.上海：科学技术出版社，2008.114郑修文主编机械制造工艺学. 京：机械工业出版社，2007.5致 谢通过将