加强栅块加工技术研究

期刊: 环球科学 DOI: PDF下载

王云旭

中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司,辽宁 沈阳 110043

摘要

加强栅块材料硬度大,对加工刀具要求高,绝大多数常用刀具无法完成加工,该零件壁厚较薄,加工中易变形,加工时系统刚性差,且加工周期长,生产节拍不平衡,加工过程刀具消耗大,加工成本高。通过对其设计图、工艺路线、工艺方法等内容进行分析及优化,总结其加工过程经验,在首件加工基础上对其加工方法、走刀路线等方面进行了较大改进,在其质量、效率、周期、成本等方面取得一定提高,为后续攻关研制提供了较为细致详实的理论基础与实践经验。


关键词

铸造高温合金;薄壁异型零件;批量生产

正文


1研究内容

加强栅块材料硬度大,对加工刀具要求高,绝大多数常用刀具无法完成加工。同时该零件壁厚较薄,加工中易变形,加工时系统刚性差。且该零件加工周期长,生产节拍不平衡,加工过程刀具消耗大,加工成本高。为寻找合理有效加工方法、固化切实可行的工艺路线、降低加工成本、提高加工效率、平衡生产节拍。

以加强栅块为载体,从走刀路线、切削方式、加工参数、刀具使用等方面研究适,探索用于零件试制及批量生产的加工方法及工艺路线。

2难点分析

通过对零件图纸的拆分,查找相关加工难点及加工风险点如下:

1)异型零件,装夹困难。由于零件为异型零件,需要加工上下两处安装边、两侧面及内型面孔,按现有条件,无法满足零件装夹加工需求。为使零件便于加工,在毛料中增加艺边,待零件全部加工完成后再切除工艺边。

2)零件材料硬度大,现有刀具加工困难。零件材料为铸造高温合金,其机械加工性能差,为保证零件能顺利生产,需要进行不同厂家、不同规格、不同材质的刀具试验。

3)内型面斜孔,孔径过小,加工困难。零件内型面为斜面,需要加工直径为中2mm的斜孔11处。考虑零件单台需求量较大,为保证加工效率及周期,优先选用机械加工。若机械加工无法满足产品质量,则需电加工完成,并辅以机械加工去除重熔层。

4)零件单个尺寸较小,单片加工易产生打刀、崩刃且加工效率低。考虑到该零件单台需32件,为提高效率,增强装夹刚性,减少崩刃现象,加工时优先选择32件整体加工,若无法整体加工则优先选择批量加工,尽量避免单件加工。

5)部分尺寸结构特殊,常规方法无法测量。对于常规方法无法检测的尺寸,选用三坐标测量,同时为保证生产周期需求,数控设备可以保证的尺寸优先选择首末件检查。对于个别工序中无法直接保证的尺寸,可以通过尺寸链换算及适当缩严公差进行间接保证。

3技术方案

3.1打磨浇冒口

目标:1、去除铸造后产生的余量不均,为后工序加工奠定基础;2、初步试切零件,感受该零件所用材料的切削特点。

试加工后结论:1、零件铸造余量不均,后续数控加工需留出足够的刀具空间;2、该零件加工性能较好,切削难度较低。

3.2铣基准面及工艺孔

目标:1、验证工艺方法可行性,并及时做成调整;2、初步确定所需刀具规格、加工参数、切削方式;3、初步确定所需夹具的结构,为后续专用夹具的制奠定基础。

第一次试加工:零件以内型面四点定位,对点压紧零件,装夹后进行试加工试加工后结论:1、该方案需要精确定位内型面4个定位点,且需要对点压紧以免发生翻转。现场组装的临时夹具经多次调整均无法满足要求,该方案无法继续进行。2、经专家组充分研讨,尝试在本工序前增加粗修基准工序。既能保证工序顺利进行,又能保证现场相关试制工作的有序开展。

第二次试加工:以底面为定位面,压紧工艺边,对零件被加工部位进行辅助支撑,保证了试制零件的装夹要求试加工后结论:1、零件材料硬度较大,刀具磨损极其严重;2、零件刚性较差,加工中振动明显,刀具崩刃、折断现象极为突出;3、试验中使用刀具端面正向、逆向切入均为取得良好效果,仅有侧刃切削效果相对稳定,但让刀现象明显;4、该方案其工艺性相对可行,但切削方案有待进一步优化。

第三次试加工:以加工完成的外形为定位面,压紧外安装边,辅助支撑工艺边,进行铣加工基准面及工艺孔的加工。试加工后结论:1、加工中刀具磨损严重,崩刃、折断现象有所改善,但仍然无法避免;2、该方案其工艺性相对可行,但切削方案有待进一步优化。该方案由于将毛料基准进行了转换,为保证加工后的产品质量,自制测具对全部毛料进行校核。由于改进后的加工方案对毛料的要求较为严格,经与铸造厂多次协调均未能完成新版毛料图纸会签,精铸厂无法提供合格的零件用于后续机械加工。该方案其机加工艺性相对可行,但现阶段毛料无法满足新的质量要求,该方案无法固化到工艺文件当中。

第四次试加工:经过与组合夹具站协调,按四点定位要求,组装组合夹具,用于现场试制。(为满足现场不同方法的试制要求,该组合夹具立式、卧式各组一套)试加工后结论:由于零件是点定位、点压紧,且零件壁厚较薄,不论立式装夹或是卧式装夹,加工后的零件均有明显的压紧变形,且装夹刚性较差,刀具折断现象明显,该装夹方式无法满足现生产。

3.3铣两侧

第一次试加工:由于本工序数控程序在编制工艺时已准备完毕,采用的是立式加工。试加工后结论:由于零件壁厚较薄,装夹刚性较差,切削面积较大的立式加工产生了较强烈的振动,零件无法加工完成。

第二次试加工:参照此前试加工经验,铣两侧采用侧刃卧式切削。为保证试加工质量,使用铝盘自制铣加工夹具用于试验。由于零件材料较难切削,切削深度及速度过大会导致刀具振动增加,刀具崩刃现象显著提高,为找到最合适切削方式及参数,进行了多组试验。多组试验后,参照刀具振动情况、刀具磨损情况、加工后表面质量及加工时间等因素综合选取最优切削方案。试加工后结论:1、经现场多次试加工,在现有条件下能满足生产需要,加工方案可行,但由于零件余量较大,加工时间过长,刀具磨损较为严重,加工效率低。

第三次试加工:为提高装夹效率,减少总加工时间,对夹具进行了结构优化,使其能实现批量加工。试加工后结论:1、经现场加工验证,该加工方案可行,装夹效率能满足生产需要,但由于零件余量较大,总加工时间依然较长。

3.4钻内壁斜孔

第一次试加工:现场使用自制夹具,采用卧式加工进行试加工。为保证后续加工质量,确保钻头能持续稳定加工。试加工时采用极限加工法,确定刀具最大耐用度。试加工后结论:1、经现场加工验证,无需电加工,使用钻头直接加工可以保证产品质量,有效减少了因电加工造成的周转等待等相关一系列问题。

第二次试加工:试加工时采用的是卧式、外侧加工。而该孔设计要求为垂直内壁的斜孔,零件的回转中心为φ960mm,在正式加工时若考虑夹具大小,则需要使用回转半径大于φ1000mm且带弯头的五坐标加工中心加工。试加工后结论:目前无满足该要求的机床用于加工,该方案无法继续进行。

第三次试加工:经专家组充分研讨,在现有加工方案基础上,优化装夹方式。改型面向内为型面向外,同时设计专用夹具用于加工。并通过夹具定位点及零件孔的相关尺寸,经过空间几何关系计算,确定相关加工所需的参数。通过确定各孔几何关系,运用宏运算公式,编制门子宏程序。创造性地实现了内型面孔外侧加工。试加工后结论:经现场加工验证,该加工方案可行,加工效率能满足生产需求。

3.5车前后边

第一次试加工:由于试验件数量限制,试加工时采用的是单片车加工。由于该零件刚性弱,被加工材料硬度大,现场多次试验均为取得良好。经过试切及计算,现有刀具均无法满足现场批量加工需求。试加工后结论:1、由于装夹后的零件,加工中振动量较大,导致刀具过度磨损及崩刃。该装夹方式无法满足现场生产。

第二次试加工:为提高装夹刚性,减少因零件振动而产生的刀具过度磨损及崩刃,同时也为提高后续加工效率,实现批量加工,经反复校核并计算,设计临时专用夹具,用于后续加工。由于该零件单台需要32件,每件需要压板螺钉数量较多。经计算共需要压板、螺柱、螺帽、垫片等约900件,由于所需数量较大,现有条件无法满足夹具制造。经与相关部门充分研讨后,制定初步计划:所需标准件由工段临时采购;所需压板由管理室设计,由生产负责外委加工。经过多部门通力协作,最终实现了该夹具的顺利制造,保证了后续零件的试制与生产。在夹具制造完成后,对零件进行了二次试加工。试加工后结论:经现场加工验证,并与相似零件进行比对后,确认该加工方案可行,加工后零件能满足设计要求。但现阶段加工效率较低。

4试制总结

现有加工方案能够满足各工序试制要求,加工后的零件能满足设计图要求;由于零件材料加工难度大,导致切削速度及切深较小,且零件数量多,单次装夹时间长,进而导致加工效率极低;由于零件结构特殊,其自身刚性较差,且零件材料硬度大,导致刀具过度磨损、崩刃、折断现象频发。进而导致刀具消耗过大;由于各工序单次加工零件的数量不同,且加工方式及加工效率不同,导致各工序加工时间差异较大,使其生产节拍难以平衡。

结束语

加强栅块在首件加工基础上对其加工方法、走刀路线等方面进行了较大改进,在其质量、效率、周期、成本等方面都取得了一定提高。同时,部分试验的开展,也为今后相关内容的优化奠定了基础。

参考文献

[1]成远清.航空发动机机匣构件机械加工工艺的优化[J].信息周刊.2019(040)1-2.

[2]袁昊,陈虹宇,李健.高温合金薄壁环块类零件铣加工技术研究[J].中国新技术新产品.2021(04)81-83.


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