低压一级内环车削的工艺改进

低压一级内环车削的工艺改进【摘要】本文针对低压一级内环精加工工序工艺改进过程进行分析和论证，通过改制夹具，改进加工路线和切削用量，使零件加工达到了零件图纸要求。【关键词】高温合金、薄壁件、易变形、工艺路线前言低压一级内环是航空发动机上一重要零件。该零件材料为GH1140，是铁镍基高温合金，毛坯是锻坯，最大旋转直径为346MM,最长为22MM,最薄处为12MM，该零件属于典型薄壁旋转件,具体见图一。由于其材料和形状的特殊性，在前几批加工中许多尺寸和技术要求超差，严重影响了零件的交付。在工艺部门的指导下，根据前几批加工情况，以及零件特性和变形情况，重新改制了夹具，改进了原来的加工路线和切削用量，使以后所加工零件都达到了零件图纸要求。本文针对低压一级内环精加工工序工艺改进过程进行分析和论证。图一一、工艺流程及出现的问题1、原工艺流程简介0工序毛坯1030工序粗车40工序稳定处理4550工序半精车55工序磨工6070工序精车75工序磨工80工序拉工90工序钳工100工序标印S110工序检验。11图二所示粗实线为60工序所加工的尺寸。12A为支靠面，B为定位面，C为压紧面。13改进前本精加工工序加工完后出现如下问题；因为没有专用夹具，使零件在自由状态下产生较为严重变形，如尺寸15005的支靠面上变形量最大的有014MM，锥面上的椭圆最大的达到028035MM。209360工序加工内容图二14图三所示粗实线为70工序所加工的尺寸15B面为支靠面。C面为定位面。D面为压紧面。二、加工中出现的问题1、夹具装夹时引起零件的变形。2、壁厚尺寸的局部超差0123、长度尺寸15701，16701，外圆尺寸的局部超差，同轴度0634达不到工艺要求。70工序加工内容图三图三三、工艺分析1、零件材料的分析该零件材料为GH1140，为铁镍基高温合金，高温合金又称耐热合金，或热强合金，能在600850的高温氧化及燃气腐蚀条件下工作，具有优良的热强性能、热稳定性能。其热强性取决于组织稳定性及原子间的结合力，这是由于在铁镍基中加入了高熔点的CR、W、MO、TI、NB等元素，原子间结合力大。另外，高温合金是航空、航天工业的重要结构材料。1高温合金的可切削性机理11成分、金相组织对可切削性的影响高温合金的基体是高熔点的合金元素，如铁、镍、铬、钴等，根据其中一种金属占优势，而具有铁基高温合金、铁镍基高温合金、镍基高温合金、钴基高温合金等名称。组成高温合金的合金元素还有很多种，包括金属和非金属合金元素，这些合金元素在高温合金中可形成硬度高的化合物，有的是碳化物，如碳化钛TIC、碳化钒VC、碳化铌NBC、碳化钨WC等，碳化物的显微硬度达24003200HV。有的是氮化物，如氮化钛TIN，氮化钒VN，氮化铌NBN等，氮化物的显微硬度更高，莫氏硬度达89。有的是相间化合物，如铬化铁FECR、铬化钴COCR、钼铬化铁FECRMO等，相间化合物的硬度也很高，显微硬度达10001300HV。此外，还有AL2和SI2等相间硬质点。有的合金元素又熔人固溶体中使基体得到强化，例如铝、钛在镍基奥氏体中形、而弥散分布的金属间化合物7，即NBAL，TI强化基体。钨、钼，铌、钽等元素则进入这些化台组织复杂化，又析出它们的碳化物，硼、锆等元永1JLJ强化晶界。所有这些作用都使合金的高温强提高。由于高温合金的成分和组织特性，可切削性很差，以45号钢的可切削性为100，高M合金的相属材料中可切削性极差的一种。高温合金的抗热性愈高，其可切削性愈謦。合金的抗热性与合金中的强化相的百分含量成直线关系，合金中强化相愈多其分散程度愈商合金的抗热性就愈高。因此，强化相含量较高的合会就具有较低的可切削性，如GH34GH36GH132GH135乙H140GH30GH33GH37GH49部分高温合金的可切削性由易到难的JLIJL序，随抗热性的提高可切削性下降。高温合金可切削性差的原因又可归纳为以F几个方面其切削加工性能表现在以下几个方面11切削力大。在切削加工过程中，由于其材料强度高，尤其是热强性高，抗塑变能力强，切削过程中冷作硬化严重，工件是未变形口勺材料，切屑是已塑性变形的材料，即切削过程中伴随有塑性变形。对高温合金来说，由于含有高熔点的激活能大的元素，这些元素的原子在合金内比较稳定，其原子脱离平衡位置所需要给予的能量很大，即塑性变形的抗力大，因此使得切削加工的切削力增大，其切削力比一般钢材高23倍，并且摩擦系数高，切削热也随之增大。12切削温度高。高温合金的变形抗力大，切削加工时使切削热增大。又因为合金的导热率很低，各种高温合金的导热系数003418WM左右，仅为铁的16，铝的110，传热困难，使已变形层切屑和被加工零件内热量高度集中，造成切削温度很高，一般可达1000左右。在高温下会增加刀具材料的扩散磨损，使刀具材料变得脆弱，其磨损程度随温度增大而增大。高温合金的切削温度很高，并且它在高温下仍具有较高的机械性能如强度、硬度等，使高温合金工件与刀具材料之间在高温下的机械性能差距减小，加速刀具的粘结磨损。高温合金切削加工时发出的大量热量还会增高零件的温度，使尺寸和形状发生变化，切削高温使工件产生热变形大，影响工件的加工精度。13其材料加工硬化严重。切削高温合金时，已加工表面上的加工硬化现象较严重，表面上的硬度比基体要高50100。这是因为高温合金的软化温度高和软化速度低，因此在塑性变形时出现硬化机理。从高温合金的金相结构上分析，合金中含有大量强化相的碳化物或金属间化合物溶于奥氏体固溶体中，从而使固溶体强化。切削加工过程中，由于切削热很高，在高的切削热作用下，这些强化相碳化物或金属间化合物从固溶体中分解出来，并呈极细的弥散相分布，使强化能力增加，从而产生加工硬化。切削过程中高温合金硬化程度高，当基体硬度在HBS255时，其表层硬度比其基体硬度高50100，因此使刀具磨损加剧，降低了刀具使用寿命。14刀具磨损快。在中、低速条件下切削时，容易出现刀具粘结磨损，而在高速切削时，由于高温的影响，刀具扩散磨损加剧。15切屑硬而韧，不易折断，造成切削过程中切屑处理困难。综上所述，可知它是一种切削性能差的材料。2、引起零件变形的原因21零件壁薄，刚性差；22拼装夹具压板分布不合理；试制时实际夹具的夹紧与其支靠的地方形成一夹角，当压紧零件时，压板与支靠面不在同一处，压紧力不均匀，使其零件变形、夹紧力越大变形就越大。23加工应力引起变形；零件支靠面不平，压紧时引起变形，主要是粗加工时残余在零件内的应力，当零件精加工时残余内应力释放而引起的变形。解决问题的办法是精加工前进行一次稳定处理，尽可能的消除粗加工时残余在零件内的应力。24是零件在加工中加工顺序不合理，易引起变形。主要是受吃刀量偏大，刀具角度不合理和散热、冷却条件等因素的影响。3、粗加工时刀具磨损大，主要是因为切削三要素不合理。而切削用量三要素对切削温度的影响程度各不相同，其中，切削速度影响最大，进给量次之，切削深度影响最小；再有切削用量中，对刀具耐用度的影响最大的是切削速度，其次是进给量、影响最小的是切削深度。因此粗加工时，首先就考虑选择尽可能大的切削深度，其次选择较大的进给量，最后确定少的切削速度。因此，粗加工时，要尽量达到高的生产率同时、保证刀具耐用度；粗加工的时间太长，随着切削时间的增加，刀具磨损逐渐增大，刀具磨损后，切削力也就增大切削温度就升高、变形就大。4、长度尺寸157，176处预留余量太多（34MM），导致刀具精车时，刀具切入余量太多，故刀具与工件端面接触面积过大，从而导致零件因轴向切削力太大，壁厚又太薄而变形，致使零件后部的壁厚不均匀而局部超差。5、冷却条件对切削温度影响也很大，因此要选用冷却效果好的冷却液以及冷却流量速度要大。6、尺寸控制不准的原因61刀具中心不准，对车削加工没有益处，特别对于被切平面或车削无孔端面的轴心处不允许有凸痕和切断或端面车削，以及对除圆柱形之外的其他轮廓形状工件所进行的精加工，都要求将车刀的刀尖中心高度误差严格控制在工件精度允许的范围内，以免产生如圆锥表面的双曲线误差或成型表面的线轮廓度误差等误差。62刀尖园弧损耗，也影响零件变形控制不准，故精加工时一定要保持刀具锋利。63测量不准造成进刀不准，从而影响尺寸加工精度。解决方法一般在尺寸准确的地方反复测量，来确定其进刀量。64工件壁薄，车削时容易产生热变形，不易控制工件的尺寸精度。四、解决措施1、零件修改后工艺流程简介0工序毛坯1030工序粗车40工序热处理4550工序半精车55工序磨工60工序精车65工序钳工70工序精车75工序磨工80工序拉工90工序钳工100工序标印110工序检验2、改进前后的对比21原有工艺安排由于60工序和70工序都是精车工序，在加工过程中都是因为没有专用夹具，都只能使用拼装夹具，所以在装夹就产生了使工件变形的因素，特别是当60工序加工完尺寸15005接好R1505后，在自由状态下检查时，工件左端的整个面的变型量在012017MM之间，而整个内锥的跳动在028035MM左右，由于变形的原因，给以后70工序中的尺寸加工带来严重的技术条件的隐患。22在加工70工序时也是由于工件的装夹原因产生的变形，更主要的是由于零件的壁厚仅为较薄，而粗车时留给精车的长度余量较大，虽然经过反复012吃刀，仍然产生了较大的切削应力变形，再加上60工序支靠面有012的变形，所以在自由状态下造成如下后果的壁厚尺寸局部严重超差；长度尺寸01215701，16701局部超差；小外圆的尺寸只能取平均值；大0153外圆的尺寸取平均值局部超差。06343、工艺调整说明针对以上几个方面的原因分析；在保持原60工序和70工序加工内容不变的情况下，作出相应改进。431夹具改进把60工序和70工序的精车工序的夹具由原来的两套拼装夹具合并成一套专用夹具，设计两套压板，夹具设计以工件的内孔为定位，左端面为05297支靠面夹具外圆直径应小于。015360工序装夹示意图图四70工序装夹示意图图五311在加工60工序时，由6点支靠改成全面支靠，支靠面经过磨削后达到平面度要求，压紧面和定位面不动，压板压紧时用力均匀。在加工时，把内型面分粗；精车，严格按顺序加工，先加工远端面，精车时先加工大内孔到尺寸，车内锥面时注意刀具的锋利，最后加工15005的尺寸。加工内孔尺寸。长度尺寸17601分别加工到、,17301将20362053204315005的尺寸尽量加工到左右，因为在压紧状态下此零件的变形还0571是较小，后面增加一道钳工研磨工序，主要是研磨零件的支靠面，在保证零件壁厚不小于15005的情况下，要求零件的平面度在002以内。312在加工70工序时作如下调整参照60工序全面支靠的专用夹具，在压紧面上也作一个全面压紧的专用压板，加工时，首先把尺寸15701，17601粗车留余量05MM07012留余量05,留余量06MM,先加工到0634015301216MM，35005先加工到37MM就可以了。精车时先加工60工序的尺寸因此时余量较少，刀具要求一定要锋利先加工好大内孔尺寸长度尺寸17601接好R1505的圆弧，再加工2036尺寸，接着加工15005接好R1505的圆弧，这样加工完后不2093要卸下工件，接着加工70工序的尺寸，安装时先按70工序的要求安装好，再拆60工序的压紧压板。加工时先加工长度尺寸17601到上差，07012尽量到上差，100到尺寸，R1505到尺寸，15701也尽量到下差，加工壁厚时要特别注意零件的变形量，进刀时尽量控制进刀量012的大小，加工完一刀后及时测量，确定零件变形量的大小。在加工尺寸35005时，因为是支靠面，在加工过程中可以直接加工到尺寸，在接槽内两个R103时要特别注意保持刀具锋利，尽量控制刀尖圆弧尽可能的小一些，以免圆弧接出来后槽内右端面尺寸15701往外倒，这样加工完后还要修尺寸15701，17601到尺寸。最后加工外圆尺寸，由01530634于其它尺寸都已经加工好，零件很薄，所以在加工零件时，要考虑到零件的变形较大，形位公差非常小（同轴度0005在机床上检测）为确保零件的尺寸和形位公差合格，就一定要有小的进给量和较锋利的刀具。五、经过对以上工艺的过程调整和改进，以后几批零件的加工的质量检测，达到如下效果1、原夹具经过重新申请后，其夹具的装夹定位方式已符合工艺要求。解决了因夹具装夹时引起的零件变形。2、有效地解决了改进前遗留的质量问题，如壁厚和外圆关键尺寸012和以及同轴度0005等技术条件都能达到图纸要求，使零件01530634合格交付率达百分之九十五以上。3、精车分粗、精车削，使刀具磨损减小。六、根据零件材料性能、差别及其特征，加工时还要采取以下措施12热处理改善高温合金可切削性高温合金的可切削性很差，切削刀具表面上不断增加的接触温度，促使流出的切屑与刀具前面发生粘附、粘结，限制了硬质合金刀具的应用，特别在断续切削的情况下，很难使用。所以，通常采用高速钢刀具。可是，将高速钢和高温合金的物理一机械性能联系起来，就不能采用超过38MMIN的切削速度，而且刀具的耐用度依然不高。由此看来，寻求改善高温合金的可切削性的方法是非常迫切的，这种方法借助于特殊热处理来改变合金的组织。同一种合金因组织状态不同往往引起可切削性的变化很大。对于含碳化物相的奥氏体相合金，淬火会使可削性显著恶化，而且合金中碳含量愈多，恶化愈甚。在淬火中，奥氏体被碳合金化，切削时将析出亚显微相，使切削加工时塑性变形的阻力增大，所以主要的切削加工应在热处理前进行。对于含金属间化合物相的合金则恰好相反，淬火能改善合金的可切削性，第二相金属间化合物愈弥散，可切削性愈恶化。为了使高温合金获得可切削性最好的组织，可进行特殊补充热处理。例如镍基高温合金GH33在1020“3时加热8小时淬火，在空气中冷却，再在920C下作16小时时效处理，在空气中冷却。经过特殊热处理后合金组织相当于已软化状态，强化相的百分含量较小，并且在这样的特殊热处理后，强化相更加凝聚，均匀地分布在固熔体的小晶粒内和晶界上，晶粒也细化，因此可切削性得到了显著的改善，刀具耐用度提高。2、在加工零件时，选择合理的切削用量从而避免零件表面产生加工硬化；用YG8车刀对高温合金GH33车削时的切削用量。1切削速度从图5可看出，切削速度V20MMIN时车刀的磨损最小，在切削速度提高或下降时，车刀的磨损量增加，耐用度下降，其原因为如果V10MMIN，切削温度为550650，被加工材料的原有硬度变化不大，切削力和单位压力大，刀具磨损剧烈。如果V20MMIN，即切削温度770820时，被加工材料的硬度显著下降，切削力和单位压力小，刀具磨损小。如果V30MMIN，即切削温度860925C时，被加工材料的硬度急剧下降，切削力和单位压力最小，但是在这种温度下，YG8刀片的硬度几乎下降了50，被加工材料与刀具的粘着作用加强了，反而使刀具磨损急剧增大，车刀耐用度严重地下降。由此得出结论，切削区域的温度是决定刀具磨损的基本因素。因此选用最佳切削速度很重要。2走刀量试验条件YG8车刀，Y0。、口14。、0。、45。；V208MRAIN，。P05MM。如图6所示，随着走刀量的增大，车刀磨损增大，耐用度下降。3吃刀深度试验条件YG8车刀，Y0。、口14。、0。、45。；V208MRNIN，FL1015MMR。如图7所示，在切削深度025075MM范围内，随切削深度增大，磨损增大的程度低，但当O075MM，磨损急剧地增大，耐用度明显下降。3、保持刀具锋利，改善刀具表面粗糙度，特别要注意刀具中心高；4、正确选用刀具几何角度，在单刃车削铁镍基高温合金操作中，车刀必须具有正前角，这样金属始终处于切断状态而避免发生挤压过程，如果使用负前角就会产生挤压过程。正前角的第二个作用就是引导切屑从加工表面脱离。副切削刃是正前角也是重要的，角度必须保持足够大的空间，同时又能支撑起切削刃。在切屑控制方面合理的前角，足够的宽度和深度保证产生的切屑卷曲并断屑，而不是呈块状或者节状。刀尖半径要保持刀尖的强度并且有助于散热，小的刀尖半径和适当的角度能阻止产生断屑粘刀。断屑的宽度和深度依赖使用的进给速度；切削高温合金时，选择几何角度的基本准则主要考虑的是刀具磨损，即刀具耐用度71。1前角图2为前角与车刀耐用度的关系。试验条件W18CR4V高速钢车刀，断续车削，后角A12，刃倾角0；1镍基GH33，V8MMIN，A10MM，F15MTAR；2镍基GH37，V7MMIN，A10MM，厂21RRUNR；3镍基K1，V7MMIN，AP10MM，F21NMAR。考虑到车刀几何角度应满足几种在成分和性能方面较接近高温合金的加工条件，三种合金前角值在1525之间较合适。2后角由于高温合金的高温强度和塑性高、加工硬化大、导热系数小，为了减小刀具后面与加工表面的摩擦，粗车时常采用大值后角，取A1015试验条件V7MMIN，A10MM，厂21MMR；高速钢车刀车削高温合金GH33；前角Y15，0，最佳后角值为A12。3刃倾角试验条件V7MMIN，A10MM，21MMR；高速钢车刀车削高温合金GH33；前角Y15，口12，确定的刃倾角值为105、使加工区域充分冷却。要选用高效冷却以及环保型的冷却液；6、正确选用刀具材料，切削高温合金时，塑性变形功消耗大，刀具所承受的切削力大，刀具工作表面和切屑接触之间的单位压力增大。高切削温度和低导热率使刀刃很快粘焊和剥落变钝。又由于合金内含有大量硬度极高的碳化物或合金化合物的强化相存在，加工过程中已加工表面上的加工硬化现象严重，摩擦系数高，导致刀具的机械磨损很快。所有这些，使刀具耐用度很低。刀具耐用度低是切削高温合金的关键问题，而选用合适的刀具材料、合理的刀具几何参数和切削用量对提高刀具耐用度是十分重要的。61刀具材料切削高温合金的刀具材料要求在高温下有高的硬度、高的耐磨性、高的抗弯强度和冲击韧性、良好的导热性以及抗粘结、抗扩散、抗氧化的能力等。常用的刀具材料为高速钢和硬质合金两类。1高速钢在生产中通常采用W18CR4V高速钢切削高温合金时，耐用度不高，应改用含高钒、高钴的高速钢，图1所示为用W10CR4V4CO5高速钢断续车削镍基高温合金GH33时的切削速度与耐用度的关系，为了比较，图中列出了W18CR4V高速钢车刀车削上述合金的切削速度与耐用度的关系。由图可知，采用W10CR4V4CO5钢车刀比W18CR4V钢车刀其耐用度高出1525倍。由于含钴高速钢中含有资源稀少而价格昂贵的钴，因此要优先考虑采用高钒钢。新型高速钢WL0MO4CI4V3AL代号5F6能保证较高的耐用度，经过在生产中使用，证实了它的耐用度与含钴高速钢相近。2硬质合金硬质合金是目前切削高温合金的常用材料，一般选用YG类硬质合金如YG6、YG8等进行粗车，选用，YW2，YA6等进行精车，但这些刀具材料在切削高温合金时效率低、耐用度不高。选用813硬质合金加工铁镍基高温合金如GH33时，效果尚可，耐用度较高，工件表面粗糙度也较低；选用W4硬质合金加工铸造铁镍基高温合金如K14，效果较好；此外，623、104,、YGDH等硬质合金也可用于切削高温合金。加工高温合金一般不采用YT类硬质合金，虽然它的硬度和耐磨性很高，扩散温度高于YG类硬质合金，但YT类硬质合金抗弯强度低，成分中含有碳化钛，在高温下易引起扩散磨损。用YT类硬质合金切削高温合金时，易发生刀具材料内部应力集中和裂纹扩大，使刀刃崩落。此外，碳化钛在镍中溶解度大，使高温合金性能发生变化。用硬质合金刀具对高温合金进行断续切削是困难的，切屑和硬质合金容易粘焊，当粘焊的切屑所粘附的颗粒脱落时，会使车刀的前面或后尽量选用红硬性高的新牌号硬质合金。选用车削高温合金车刀材料的原则是硬质合金一般用于硬度大于250HV相当248HB的材料的连续车削；高速钢一般用于硬度小于250HV的材料的断续或连续车削。应用硬质合金车刀连续车削大多数变形高温合金很有效刃磨车削高温合金的车刀时，在主后面应磨出0204MM宽的切削刃带。前面不磨出负倒棱，车刀刃磨要锋利，刀刃不许有微小的锯齿形缺陷，各切削刃面的表面粗糙度达R04以下。主后面一般磨成凹圆弧形，以减少由于摩擦产生的热粘结性，延长车刀的耐用度。车削高温合金的切削用量随切削条件以及合金牌号、状态的不同而不同。用硬质合金车刀粗车时，切削速度V40MMIN左右，部分铸造高温合金10MMIN左右，切削深度A。37MM，走刀量F02035MMR；精车时，V50MMIN左右，001504MM，厂01016MMR。用高速钢车刀粗车时，V18MMIN左右，0P37MM，F02035MMR；精车时，V25MMIN左右，001504MM，F01015MMR。必要时也用高速钢车刀加工硬度大于HV250的材料，这时应降低切削速度约50。又如用硬质合金车刀加工硬度小于HV250的材料，这时可提高切削速度或增大走刀量约30。车削高温合金会产生高的摩擦热，因而需