大直径高精密管体零件的加工

上海电气上重碾磨特装设备有限公司 工艺研究所 上海 200245

1 加工要求

某科研项目中,大直径高精密管体零件总长L为4 000～8 000 mm,主孔d尺寸为φ600+0.110mm,要求表面粗糙度Ra不大于0.8 μm,直线度不大于0.1 mm,管体对接处外肩圆c及内肩孔e与主孔d的同轴度不大于φ0.03 mm,两端连接螺纹a与主孔d的同轴度不大于φ0.06 mm,管体外圆b与主孔d的同轴度不大于φ0.06 mm。管体零件如图1所示。

2 工艺分析

大直径高精密管体零件是某科研项目中的核心零件,采用合金调质钢锻件制造。这类零件的主要加工难点是主孔及外圆有较高的尺寸精度、同轴度及直线度要求[1-3],加工工艺流程为锻造、粗加工、超声探伤、热处理、理化检验、半精加工、时效处理、精加工。根据此类零件加工余量大、精度高的特点,通过采用多道工序加工,并在精加工前进行时效处理等工艺手段消除内应力,排除材料方面的不利因素,从而提高零件的加工精度。

大直径高精密管体零件整个加工工艺过程分为四个阶段。

(1) 粗加工阶段。需要保留合理的余量及本体试样区,切除各表面较多的加工余量,为热处理作准备。热处理后取本体试样进行理化检验,本体按标准进行超声探伤检查,以确保锻件热处理后的材料内在质量和理化性能符合要求。

图1 大直径高精密管体零件

(2) 半精加工阶段。主要保证主孔、外圆、螺纹留有合适的精加工余量,并通过人工时效或低温回火热处理,最大程度消除前道工序产生的材料应力,防止精加工后零件变形超差。

(3) 精加工阶段。关键是保证管体主孔d精镗、珩磨、超精磨,以及外圆精车尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等指标符合设计要求,按先内后外的顺序进行加工。

(4) 质量验收阶段。机床在线检查尺寸精度,通过样柱检查主孔直线度,通过内窥镜检查主孔表面质量。

3 主孔加工

主孔作为外圆、螺纹及肩圆的加工基准及设计基准,其加工精度尤为重要。加工选用T2280深孔镗机床,镗削方式为推镗,向前排削,由镗杆尾端授油。镗孔最大直径为800 mm,最大深度为15 000 mm,设备配置磨头红外线在线测量装置。按以下方案进行加工[4-5]。

(1) 遵循主孔、外圆互为基准原则,在粗加工、半精加工、精加工主孔前,在管体零件外圆先车削加工出同轴度小于φ0.05 mm的三段外圆E、D、F,如图2所示,作为主孔加工的装夹基准。同时车出导向孔,便于主孔加工时的找正。

(2) 主孔精加工前,外圆及两端螺纹需要进行半精加工。在半精加工后进行时效处理,消除材料内应力,稳定管体零件的加工尺寸,从而提高加工精度。

图2 主孔加工示意图

(5) 通过模拟试验,发现原加工工艺方案存在如下问题:距离出口端10 mm范围内的主孔尺寸超差,其余指标满足设计要求;管体水平放置进行样柱通过性试验时,由于重力作用使样柱在非均匀接触状态下通过主孔,造成主孔部分表面划伤。

(6) 根据模拟试验结果,优化原加工工艺方案。主孔精加工前,出口端端面余量由原加工工艺方案的3 mm放大至15～20 mm,在主孔加工完成后,再将端面余量去除。采用端面余量增大的方法,可以解决出口端主孔尺寸超差问题。样柱通过性试验由原方案管体零件水平放置优化为竖直放置进行,可以解决样柱通过主孔时非均匀接触的问题。

4 外圆加工

外圆加工工艺与主孔类似,要进行粗加工、半精加工、精加工三个过程,每一个过程均是以主孔为基准进行加工。外圆的粗加工、半精加工采用常规加工方法,不再介绍。笔者重点讨论精车外圆时,如何通过改进工艺装备及精确找正主孔等方法,来确保外圆各部位精度达到设计要求[6-8]。

(1) 可调中心支撑改进[9]。管体零件外圆加工时,采用可调中心支撑约束管体零件的五个自由度,实现管体零件以顶夹方式装夹的加工需求。可调中心支撑主要由支撑体、中心支撑、定位套、调整螺杆、支撑块等部件组成,如图4所示。为了保证主孔表面粗糙度及加工精度,对原可调中心支撑进行以下改进:① 支撑块由原碳钢材料改为黄铜材质制作,以避免划伤管体零件表面,有效保护管体零件主孔表面质量;② 中心支撑体与支撑体在端面改用球面SR50 mm配合,可使中心孔位置作微量调整,保证在装夹时严格按主孔找正的工艺要求。

图3 主孔直线度检验

图4 可调中心支撑

(2) 采用测厚仪测量壁厚,精确校正管体零件主孔轴线,完成管体零件的装夹找正。当管体零件以顶夹方式装夹加工时,为了保证外圆各部位尺寸与主孔高精度同轴度要求,加工前必须按已精磨后主孔的轴线找正,即校调管体零件主孔轴线与机床主轴回转轴线同轴。用测厚仪测量管体零件两端外圆壁厚,实现按主孔轴线找正的要求,方法如下:① 按管体零件主孔尺寸调整可调中心支撑的支撑块,使其径向尺寸与管体零件主孔尺寸一致,将可调中心支撑装入后顶尖端的管体零件主孔;② 管体零件在车床上以顶夹方式装夹,在后顶尖端及卡盘端,分别车一段沟槽G、H,如图5所示;③ 在装可调中心支撑的支撑点0°、90°、180°、270°位置时,使用测厚仪分别测量G及H外圆处壁厚,根据壁厚差值来校调管体零件主孔轴线的角度位移误差和径向位移误差,实现按主孔轴线找正要求。

图5 外圆加工示意图

(3) 内外肩圆的加工。加工管体对接处的外肩圆c及内肩孔e时,采用一端用三爪卡盘夹紧,另一端用中心架支撑的定位装夹方式加工。现有车床配备的中心架具有三个120°分体式螺杆调节定心,使用时往往依赖于操作人员的感觉。支撑管体零件的轴承中,最精密轴承的间隙约为0.02 mm。使用现有中心架支撑管体零件进行加工,要保证管体对接处外肩圆c及内肩孔e与主孔d的同轴度不大于φ0.03 mm的设计要求非常困难,因此,消除中心架上支撑轴承间隙,提高定心精度,是保证加工精度的关键[10]。

笔者对中心架进行结构改进,制作三块支撑块,如图6所示,用于代替中心架上的三个轴承。支撑块上设有长螺栓孔、油槽、支撑爪、定位键、油孔。定位键与中心架上的定位凹槽相配合,定位键斜面具有调整支撑块径向尺寸的功能,与所装夹管体零件尺寸相适应,保证装配精度。长螺栓孔用于装配螺栓,使支撑块固定于中心架上。支撑块的支撑爪喷涂巴氏合金,并设置油槽,用于支撑管体零件。油槽与油孔相连,用于加工时加注高压导轨油,起降温、润滑管体零件的作用,同时形成油膜支撑。

中心架按图7所示进行改制,分别在三处120°安装轴承方位处加工出与支撑块相匹配的定位斜凹槽及长螺栓孔,将支撑块与中心架用连接螺栓装配为一体。采用改制后的中心架进行加工,精车外圆时,先精车一段用于中心架上支撑爪支承的基准外圆,要求与主孔d的同轴度小于φ0.01 mm,表面粗糙度Ra不大于0.8 μm。外圆精车后,可调中心支撑不用取出,与管体零件一体吊离机床。在机床导轨上架好中心架后,用顶夹定位方式再次装夹管体零件。校调管体零件轴线与机床主轴回转轴线同轴后,调整中心架下座两个支撑爪,与管体零件基准外圆均匀接触后锁紧。再紧扣上盖,调整位置合适后锁紧。松开后顶尖,使管体零件在支承面上低速转动,使支撑爪与管体零件基准外圆充分磨合,并不断通过支撑块上的油槽浇注高压导轨油来降温润滑,形成油膜支撑,实现管体零件在三处120°支撑爪上与机床主轴同轴转动。

支撑爪采用巴氏合金涂层,具有质地柔软、强度低的特性。转动管体零件可使支撑爪软基体内凹,硬基体外凸,此特性使支撑块与管体零件外圆间形成小间隙配合,减小摩擦。硬基体起支撑作用,有利于承重,可达到支撑块与管体零件基准外圆无间隙的配合要求。改制后的中心架消除了原有支承轴承间隙所带来的系统误差,有效提高了定心精度。通过实际加工验证,这一方法能有效确保管体对接处外肩圆c及内肩孔e与主孔d的同轴度不大于φ0.03 mm的加工精度要求。

图6 支撑块

5 结束语

笔者在大直径高精密管体零件加工工艺方案制订及实施过程中,严格控制管体零件关键工序的尺寸精度,并使用改进后的可调中心支撑和改制后的中心架,满足管体零件加工时工装与管体零件无间隙配合定位装夹需求,提高装夹定位精度。在找正时,采用测量壁厚校调管体零件主孔轴线与机床主轴同轴的方法,操作性强,可满足精车外圆各部位尺寸精度与主孔高同轴度的设计要求。实践验证所介绍的加工工艺方案适用于大直径高精密管体零件,满足加工精度及设计精度要求,可保证管体零件制造过程中达到100%的合格率。