金屬碟形圈的加工工藝研究

□ 焉 嵩 □ 王 玥 □ 李小霞 □ 張振剛 □ 王 熹 □ 由文超

首都航天機械有限公司 北京 100076

1 研究背景

產品的研制周期和制造成本直接決定產品的市場競爭力,產品的市場競爭力是一個企業賴以生存的基礎。因此,產品加工工藝的經濟性和適用性成為各方關注的重點。研究低成本、快速的加工工藝,成為提升產品市場競爭力的重要手段之一。

筆者以金屬碟形圈為加工對象,針對產品研制階段的任務需求和加工要求,通過對裝夾方法和加工流程進行合理設計,提出采用數控車床一次裝夾完成金屬碟形圈加工,實現產品的小批量連續加工,降低制造成本。

2 產品介紹

金屬碟形圈是一種薄壁環形金屬密封件,材料為0Cr18Ni9不銹鋼,外徑為622 mm,內徑為604 mm,高度為5.7 mm,如圖1所示。與文獻[1-2]中的金屬密封件不同,金屬碟形圈的橫截面更加復雜,輪廓尺寸小而多,圓柱段長度僅為0.3 mm,最大厚度僅為1.4 mm,壁很薄,徑向尺寸遠大于軸向尺寸,兩者比值大于100。金屬碟形圈剛度低,加工時易發生翹曲變形,加工難度很大。

▲圖1 金屬碟形圈

3 加工工藝設計

3.1 裝夾方法

金屬碟形圈的橫截面尺寸小、剛度低,自身結構中沒有合適的夾緊部位,無法直接裝夾。設計專用夾具輔助加工,是解決薄壁件難裝夾的常用方法[3-8],但是專用夾具設計和制造周期長、成本高,一旦產品技術狀態發生變更,專用夾具輕則返修,重則報廢,造成研制資源的極大浪費,與產品研制周期短、經費緊張的研制任務現狀不符。

為了適應金屬碟形圈研制生產批量小和技術狀態多變等特點,筆者采用在一次裝夾中完成金屬碟形圈的全部加工,并解決了難裝夾問題。通過對金屬碟形圈毛坯尺寸進行合理設計,在夾持一端增設20～30 mm長的工藝夾頭,三爪卡盤的三爪撐在工藝夾頭的內孔上,工藝夾頭端面與三爪緊貼,然后夾緊。裝夾方法如圖2所示。

▲圖2 裝夾方法

這一方法不需要借助專用夾具,實現了金屬碟形圈的直接加工,并且不受產品技術狀態更改的影響,成本低,適用性強,適合金屬碟形圈的小批量研制。但是這一方法對金屬碟形圈的加工工藝設計提出了更高要求,必須合理設計加工流程來保證加工過程穩定,達到加工批次尺寸一致的要求。

3.2 加工流程

數控機床具有加工能力強、精度高、效率高等優點,是解決產品小批量研制的有效途徑。

金屬碟形圈為回轉體結構,尺寸精度和表面質量要求高,適合采用數控車床進行車削加工。數控車床能夠完成多工步連續、自動加工,設備停機時間短,加工效率高。

金屬碟形圈的加工特征多,必須采用合適的切斷方法來實現金屬碟形圈與工藝夾頭之間的分離,這樣才能滿足一次裝夾完成全部加工的要求,由此提高了加工流程設計的難度。通過分析金屬蝶形圈的結構特點和加工要求,筆者將金屬碟形圈的加工流程分為粗加工和精加工兩個階段,詳細加工流程見表1。為了保證精加工階段金屬碟形圈的剛度,筆者采用單邊預留0.5 mm加工余量的工藝狀態。

表1 金屬碟形圈加工流程

4 加工驗證

4.1 切斷試驗

切斷過程是金屬碟形圈加工流程中最不穩定的一步,容易出現擠屑、振動等影響表面質量的現象。通過分析金屬碟形圈的結構特點,滿足金屬碟形圈切斷需求的加工內容共有兩個,分別為精車外錐面或精車內倒角。為了驗證加工流程設計的合理性和切斷過程的穩定性,筆者針對上述兩個加工內容分別進行了加工驗證。

采用精車外錐面作為切斷方法,加工結果如圖3所示。加工結果顯示,在靠近切斷位置發生了擠屑,造成表面質量不滿足要求,切斷過程不穩定。經分析,造成加工結果不滿足要求的原因是精車外錐面時切屑量較大且排屑條件較差。

▲圖3 精車外錐面加工結果

采用精車內倒角作為切斷方法,加工結果如圖4所示。金屬碟形圈表面未見異常,表面質量滿足要求,切斷過程比較穩定。

▲圖4 精車內倒角加工結果

因此,采用精車內倒角作為金屬碟形圈數控加工的最后一個工序,加工流程設計比較合理。

4.2 切削用量

切削用量包括切削速度、進給量、背吃刀量。粗加工時,應盡量保證較高的加工余量去除率。精加工時,應保證加工精度和表面質量要求[9]。切削用量還與切削力的大小和切削熱的產生量密切相關,是薄壁件發生加工變形的主要影響因素。根據金屬碟形圈的結構特點、工藝流程和加工機床性能,選擇合適的切削用量,在保證質量的前提下盡可能提高加工效率。金屬蝶形圈的切削用量見表2。

表2 金屬碟形圈切削用量

采用表2中的切削用量進行一個批次金屬碟形圈的加工驗證,加工過程平穩,金屬碟形圈的加工精度和表面質量均滿足設計要求。

另一方面,在加工過程中保持刀具鋒利、切削液充足,不僅能夠減小切削力,減少切削熱,而且可以有效延長刀具使用壽命,有利于提高產品加工精度和表面質量。如果采用內冷型刀具,那么加工效果會更好。

5 結束語

筆者通過對金屬碟形圈進行結構特點分析,采用增設工藝夾頭來直接夾持的方法,不需要專用夾具輔助,制造成本低,有效解決了金屬碟形圈的難裝夾問題,并且適用性強。采用數控車床一次裝夾完成加工,實現了金屬碟形圈的小批量連續加工,工藝高度集中,加工效率高。