大型數控強力旋壓機關鍵零件制造工藝研究＊

鄒小堤 黃 照 桂 林 張明慶 何毅斌

（武漢重型機床集團有限公司1） 武漢 430205） （武漢工程大學機電學院2） 武漢 430073）

（武漢理工大學智能制造與控制研究所3） 武漢 430063）

我國航空、航天、火箭、導彈、兵器等軍事工業和通用機械、汽車等民用工業正迅猛發展，對關鍵零部件的可靠性、穩定性、耐疲勞性能的要求越來越苛刻．在這些關鍵零部件的加工過程中，采用旋壓加工制造工藝完成薄壁回轉體零件成形的優勢越來越明顯，對旋壓技術和大型數控強力旋壓機床的需求越來越迫切．西方工業發達國家將此類設備列為戰略性物資嚴加管理，嚴禁向我國出口，因此，研制大直徑、大推力、全數控的旋壓機床，對滿足國內軍用、民用的工業需求，推動我國旋壓加工技術的發展和打破國外對該技術的壟斷等都將具有非常重要的意義［1］．

本文針對我國航天領域亟須的大型數控強力旋壓機的關鍵零件的制造加工工藝進行研究．其加工對象是大型導彈發動機殼體、大型運載火箭、洲際導彈直筒段等典型薄壁回轉體零件的旋壓成形．加工零件成形壁厚為3mm、高度為3 000mm、收口壁厚公差±0．5mm、表面粗糙度Ra3．2μm．

1 大型數控旋壓機床國內外發展現狀

近20年來，由于科學技術的進步，旋壓成形加工技術無論在機床設計制造、基礎性理論、旋壓工藝，以及工程應用研究等方面都獲得了創新性持續發展［2－5］，出現了許多新型高精度數控旋壓機床，目前旋壓機床的發展重點是系列化和標準化．美國、德國、日本、西班牙和加拿大等工業發達國，已生產出先進、標準化程度高、系列化的數控旋壓設備，其旋壓工藝穩定，產品規格品種齊全．這些旋壓設備已基本定型，應用范圍廣泛．

世界著名的旋壓機床制造廠家德國LEIFELD公司的ST系列強力旋壓機床，功率強勁，適用于制造高精度薄壁空心筒形結構件，能旋壓長度超過10m的工件，管／筒壁厚度最大可減少90% 以上；其新近推出的ST 650H9100－4RS，具有可變的成形加工長度、高的制造質量、強的零件加工靈活性和低的生產成本，被加工零件的正向旋壓成形長度可達9m、反向旋壓成形長度可達13m以上，其最大軸向行程達9 100mm，可承載質量達4t的工件．

美國制造的最大400t雙輪立式旋壓機，可對任意合金筒形件進行旋壓加工，對某些精密件收口壁厚公差可達±0．38mm，表面粗糙度Ra3．2μm．

日本東芝機械公司制造的高效率旋壓機將液壓仿真與數控技術相結合，熱加工旋壓成形各種形狀的高壓氣瓶．

目前，國際先進水平的大型數控強力旋壓機床，可旋壓加工最大直徑為6m的零件，旋輪施加壓力可高達到數百t．

我國的旋壓加工技術基本上始于20世紀60年代初，為了解決某些產品成形問題，部分軍工部門（主要是航空航天領域）開始應用旋壓技術加工諸如飛機副油箱、發動機燃燒室等產品，開始采用自制的簡易旋壓設備加工產品．航空航天、兵器和機械制造部門先后研制了多臺旋壓設備，在一定程度上解決了某些關鍵零件的加工問題．北京航空制造工程研究所先后研制了PX系列普通旋壓機床和SY系列強力旋壓機床．隨后，北京有色金屬研究總院、北京航空航天大學、西安重型機械研究所、青海重型機床廠、福建機械科學研究院、長春兵器五十五所、武漢重型機床廠等單位也有旋壓設備問世．這些機床大多為簡單的機械或液壓仿形機床．

20世紀90年代之前，國產旋壓機床主要為基于液壓仿形技術為主，90年代之后才開始進行數字控制技術的旋壓機床開發研制，產品多為中小規格、中低檔范疇，在旋壓推力、回轉直徑、零件長度、控制精度、自動化水平和設備可靠性等許多方面與國際先進水平相比，都存在著較大差距，遠不能適應我國國民經濟發展和軍工事業發展的需要．特別是在基礎理論、旋壓工藝和工程技術應用研究方面至今仍然是薄弱環節，這已成為影響我國高中檔數控旋壓設備使用效率和旋壓加工技術進一步推廣應用的制約因素．

國內旋壓設備經過40多年的發展，設計水平和制造水平明顯提高．旋壓機床的品種逐漸趨于完備，涉及強力旋壓機床、普通旋壓機床、內旋壓機床、熱旋壓機床、輪輻旋壓機床、皮帶輪旋壓機床、封頭旋壓機床以及其他的專用旋壓機床．隨著設計理念和方法的進步，國產旋壓設備具有良好的性價比，其精度和性能已基本接近國際先進水平．特別是國際化采購渠道的暢通，使國產旋壓機床具備了參與國際競爭的能力與水平．但在高檔大型數控強力旋壓機床設備設計制造、工程技術應用領域與國際先進水平相比仍有較大差距，遠不能適應我國國民經濟發展和國防事業發展的迫切需求．

雖然近些年來我國陸續從國外引進了多臺數控旋壓機床，但多為小型旋壓機床（其加工直徑大多在650mm以下，單輪推力在300kN以下），無法滿足國內航天、航空和兵器制造業用戶對能加工口徑大于800mm以上大型數控強力旋壓機床的迫切需求．

2 大型數控強力旋壓機床關鍵零件制造工藝研究

主軸作為大型數控強力旋壓機的核心部件，其加工精度將直接影響到機床的工作精度．由于這種機床的主軸屬于超長、超重、高精度、高硬度的軸類零件，如何保證其制造精度，是加工制造過程中的難點．

由于主軸的毛坯為鍛件，鍛造后毛坯的內部存在大量鍛造內應力，若不及時消除，會對加工產生影響．因此，在制造工藝上安排主軸鍛造后進行正火處理，消除內應力，為機械加工作好準備．

2.1 加工工藝制定

主軸的加工分為粗加工和精加工．根據主軸的結構（見圖1）、特點、加工精度要求，在工件粗加工后、精加工之前，安排適當的熱處理工序，有效地消除工件的殘余應力，以提高主軸的加工精度和尺寸穩定性．主軸精加工時，在確定機床 、刀具、切削參數、工件的定位夾緊形式等方面都要以減小加工變形、保證加工質量為前提，同時要兼顧加工效率．

圖1 旋壓機床主軸結構

2.2 精加工技術工藝

車削和磨削加工是軸類零件主要的精加工方式．磨削加工主要用于難以切削的、高硬度材料的精加工．如淬硬鋼的精加工，車削加工通常主要用于軸類零件淬硬前的加工，但隨著現代制造技術的發展，越來越多的新型刀具材料不斷被運用在數控機床上，特別是數控車削上，數控硬車削（以車代磨）在實際生產中的應用越來越廣泛．一般認為淬硬鋼硬度達45HRC以上的車削加工即為硬車削．因此，該主軸的精加工方式有2種方案：方案一，硬車削；方案二，磨削．

方案一的加工特點是生產效率高、錐面編程加工方便，但是硬車削要求機床系統必須有足夠的剛性和精度，同時要求作為硬車削的刀具耐熱性和耐磨性要好．而且在實際運用中涉及到工件的裝卡、轉速及程序等問題，掌握不好，會嚴重影響加工效率和精度，特別是在深孔加工時，硬車削效果不好．

方案二的加工特點是操作簡單，加工精度高，且設備帶有自動修復砂輪裝置，加工質量穩定，但生產效率較低．

為了保證主軸淬火面的精度，綜合各方面因素，主軸的精加工方式選擇方案二．

2.3 加工環境

主軸的精加工安排在數控重型磨床上，該設備安裝在空調廠房內，加工溫度、濕度恒定，周邊設備均為精加工設備，無強烈振源，設備帶有冷卻裝置，加工過程中進行冷卻，能減小加工過程中的熱變形，良好的加工環境保證了主軸的最終加工精度．

2.4 裝卡方式

精加工主軸的數控重型外圓磨床帶有內磨頭附件，既可以磨削外圓，又可以磨削內孔．由于主軸兩端的外圓需要磨削，因此不能選擇“夾－卡”方式．為此，在工藝上設計了2個工藝堵，一個緊固在主軸小頭端，用于機床卡夾，另一個置于主軸大頭端，用于機床尾座頂住工件；主軸中部架設中心架，防止主軸因自重變形．主軸外圓磨完后，尾座后移，取下大頭端的工藝堵，在尾座端上利用內磨頭來磨削大頭端內孔，在一次裝卡下完成主軸內、外圓的精加工，避免因多次裝卡帶來的找正誤差，提高了主軸的加工精度．

2.5 制造加工工藝路線

1）備料、鍛造毛坯．

2）熱處理 正火，消除鍛造內應力（便于切削）．

3）劃線 劃找正線、小頭端中心孔線．

4）打中心孔 上鏜床，平端面打小頭端中心孔．

5）粗車 粗車各外圓及端面，在大頭端打引孔．

6）套料 按大頭端引孔套中心孔．

7）半精車 采用“一夾一頂”的定位－夾緊方式，車削各外圓、端面．

8）中熱處理 調質．

9）半精車 半精車各外圓、端面、內孔，留磨削余量．

10）鏜鉆 上鏜床，鉆各螺孔．

11）熱處理 外錐面硬度50～55HRC；內孔硬度45～50HRC．

12）精磨 精磨各外圓、端面、錐面及內孔至圖紙要求：外圓按工作臺內孔實測尺寸配磨，保證過盈0．01～0．03mm；錐面與軸承配磨，接觸面積不少于85%．

13）精車 按螺母配車螺紋，按工藝螺紋環規配車螺紋．

14）鉗工 去毛刺，銳角倒鈍，涂防銹油，打工件號．

15）檢驗．

2.6 加工結果

通過對影響大型數控強力旋壓機關鍵零件加工精度各種因素的分析和解決方案的研究，在關鍵零件加工時，嚴格按照加工工藝的要求執行，并控制檢測過程，得到關鍵零件的最終加工精度如下：主軸各外圓、內孔的尺寸公差均在圖紙要求范圍之類，粗糙度均為Ra0．2～0．4μm，與中心軸線的同軸度為0．01～0．015mm，2處1∶12外錐面的跳動為0．012mm，與軸承涂色檢查，接觸面積為85%，各端面的跳動為0．01～0．013mm．

3 結束語

旋壓設備的制造應與旋壓工藝密切結合，工藝需求是推動旋壓設備發展的源動力．我國航空航天、兵器事業的迅速發展，一些直徑越來越大、精度越來越高的薄壁回轉體零件的需求日益旺盛，這對旋壓設備的大型化提出了更高的要求．旋壓機的大型化發展趨勢又對其零件的機械加工提出了更大的挑戰，本項目研制的大型數控強力旋壓機關鍵零件的制造在這方面做出了有益的探索，取得了滿意的效果，獲得了寶貴而豐富的經驗，為更大型旋壓機的制造提供了借鑒．

［1］吳立波，張治民．旋壓設備工藝研究［J］．鍛壓裝備與制造技術，2006，41（2）：25－27．

［2］王雅君，林春庭，李繼貞．大型立式強力旋壓機的研制［J］．航空制造技術，2011（17）：62－65．

［3］侯紅亮，余肖放，王耀奇．國內旋壓設備及其相關技術的發展與現狀［J］．鍛壓裝備與制造技術，2009（4）：16－19．

［4］侯清海，王永軍，王俊彪，等．普通車床改造成數控旋壓機的關鍵技術研究［J］．機床與液壓，2006（10）：233－235．

［5］王成和，劉克璋．旋壓技術［M］．北京：機械工業出版社，1986．