摘 要:本文以某發動機“前軸頸”為載體,說明薄壁鈦合金軸頸類零件的加工工藝,通過合理的安排工藝路線,優化工裝結構,減小加工過程中的受力變形,利用數控加工設備實現薄壁腹板內外型面、加強螺紋、引線槽等數控加工,保證設計尺寸及技術要求。
某發動機高壓壓氣機前軸頸是安裝在高壓壓氣機轉子上的關鍵件,該零件結構復雜,尺寸精度高、技術條件要求極為嚴格,材料TC17的切削性差,是難加工材料,刀具易磨損,加工硬化現象嚴重。零件薄壁大端型腔復雜,需要設計、制造特殊結構的專用機夾刀具,采用數控車床,編制合理的數控程序,完成前軸頸深腔薄壁幅板型面和螺紋的加工。此外,引線槽、徑向孔、鎖片槽以及斜孔等結構需要在四坐標、五坐標加工中心上加工。
1 工藝分析
該零件結構復雜,尺寸精度及技術條件嚴格,加工過程中難以保證,需要制定合理方案來完成零件加工,包括零件內外復雜型面的加工問題、壁厚差控制等復雜結構的加工。零件大端的輻板型面為薄壁結構,外圓直徑為Φ498mm、大端面厚度2mm,淺喇叭輻板厚度3.16mm,型面范圍大,且腹板型腔復雜,腹板型面為圓弧轉接,小端直徑85.5mm,總長338mm,結構剛性差,技術條件要求嚴格。大端內外止口、小端止口、兩處加強螺紋對設計基準的跳動為0.01mm,零件尺寸精度和技術條件要求嚴格。采用以往加工方法研制,通常在普通車床上、用多把焊接刀具多次測量來完成零件加工,對操作者技能要求高,難于保證零件質量。必須在精密的數控機床上,制定合理的刀具結構、編制合理的數控加工方案,完成零件加工,滿足設計要求。
該零件為薄壁軸頸類零件,依據零件材料、結構進行工藝分析,零件主要輪廓需采用數控車加工,為此減小零件切削變形,保證技術條件是關鍵。斜孔及徑向孔等結構在四坐標及五坐標加工上進行。為減小零件變形,采用如下措施:
1.1 工藝路線
毛料—粗加工—穩定處理—半精加工—精加工。
工藝路線安排如下:車大端-車小端-超聲波-細車小端-細車大端-穩定處理-半精車內型面-半精車外型面-精車內型面-研磨大端面-精車外型面-標印-鉆孔-研磨大端面-鉆斜孔-插花鍵-鉆徑向孔-銑鎖片槽-銑大端半圓槽-研磨大端面-拋光-熒光檢查-最終檢驗-噴涂-磨外圓-修復基準-打磨-檢驗-靜平衡-濕吹砂-涂干膜潤滑劑-包裝入庫
1.2 夾具結構
由于鈦合金薄壁軸頸類零件容易產生零件回彈變形,零件尺寸和技術條件難以保證。夾具設計時需增加支撐結構以增加零件剛性,采用軸向壓緊的方法固定零件以減少零件的壓緊力,減小零件加工過程中的變形,提高加工精度。定位裝夾時所選用工裝的結構要合理,以增加零件剛性。
2 數控程序的編制
2.1 編制程序原則
編制數控程序應考慮:
、俑鶕慵牧、結構特點,選取合理刀具結構。
、谠趶姸仍试S的條件盡可以增加切深和切削速度。
、塾嗔枯^大時應安排粗車循環,減少工人手動上刀補的出錯機會。
、苓應考慮零件結構剛性,在走刀路線安排上盡量減少零件變形。
、菰诰嚂r盡量采用輪廓編程以保證尺寸和技術條件要求。
2.2 MasterCAM編程
建立精車數控模型、仿真模擬走刀路線,檢查刀具干涉情況。內外型面交替加工以減少零件變形,在接刀部位,圓弧進退刀,保證接刀部位圓滑轉接。另外MasterCAM中建立相應刀具庫,以便自動編程時調用。將由AutoCAD中建立的半精車及精車工序的理論截面圖形導入到MasterCAM中,將前工序作為毛坯,后工序作為零件的幾何實體,將工序圖表中尺寸全部換算成中差尺寸,建立了數控車削6道工序的數學模型。
在MasterCAM lathe車削模塊中刀軌的生成,一般按以下操作進行,確定MCS坐標系,選擇刀具及刀具的具體參數,選擇加工方法,選擇加工邊界,設置刀具路徑產生刀位文件,刀軌的后處理。
3 加工試驗
3.1 摸索變形規律
加工過程中可以用零件余量進行切削試驗,摸索TC17零件變形規律。通過對比上刀量與實測值間差值,進行上刀試驗。由于切深、轉數及進給量不同,刀片的鋒利程度不同,零件和刀具受力亦不同,零件回彈變形程度也不同。嘗試找出其變形的特點和規律,實際加工中,由于零件直徑大,大端面壁厚僅2mm,零件軸向尺寸較長,剛性下降。腹板實際加工中,選用R2.5球刀,刀具切削刃與零件接觸面積過大,使切削力增大,零件發生震動,在大端端面出現振刀波紋,加工過程中噪音大。經過改變裝夾位置,調整加工參數,振紋消失,光度得到很大提高。
3.2 技術條件保證
在精車外型面的加工中,應先車加工全部,單邊留0.5mm左右余量時,松開壓板,去除壓緊力,在夾具定位面上將零件反復旋轉,充分釋放零件加工應力,采用較小壓緊力重新均勻壓緊零件,將零件加工至設計尺寸,以保證技術條件。
3.3 夾具減震支撐
夾具設計上為避免零件變形,采用軸向壓緊、同時漲緊內孔結構,有助于提高零件剛性。夾具在設計時考慮到零件加工時的測量問題,將小端止口的支撐設計為可拆卸的,以便用內徑千分尺直接測量。在精加工工序,因零件剛性差,使用的夾具定位表面與零件的配合間隙要合理,根據工藝規程中各工序給出的零件定位表面的尺寸公差和形位公差,來確定夾具定位表面的尺寸,使零件在裝夾后保證零件在夾具上的準確定位,便于加工、找正。
3.4 壁厚差的保證
在精車內型面時,需要同時加工外圓表面,以保證內外型面同軸。在精車外型面時,找正該外圓表面的跳動不大于0.01mm,這樣可以保證零件內外型面同軸,能滿足壁厚差不大于0.05mm的要求。
4 結果討論與分析
結合以往同類零件經驗,合理選擇加工設備、制定合理工藝路線,有效將零件變形量控制在規定范圍內,零件滿足設計尺寸的要求。