張利軍，史紅艷，康曉麗，馬廣濤

(1.山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司，山西 太原 030009；2.山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030009)

小直徑深盲孔軸類零件集薄壁深孔加工、長軸類零件加工的特點(diǎn)，剛性差，強(qiáng)度弱，加工成型過程既有鉆鏜削深孔產(chǎn)生的偏移量，又有細(xì)長軸由于切削力、加工內(nèi)應(yīng)力等工藝系統(tǒng)因素產(chǎn)生的嚴(yán)重彎曲變形，難以保證零件尺寸精度、壁厚差及直線度等關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，造成零件制造困難，質(zhì)量不穩(wěn)定，亟待通過工藝研究解決產(chǎn)品研發(fā)過程中制造技術(shù)的瓶頸問題。

1 零件技術(shù)要點(diǎn)

某型號產(chǎn)品關(guān)重零件長徑比為43，壁厚為6 mm，屬于典型的細(xì)長薄壁深盲孔階梯軸類零件，該軸件總長1 600 mm，主體部位外形尺寸為φ37 mm(外圓直徑)×1 500 mm(長度)，技術(shù)要點(diǎn)為壁厚差≤0.5 mm，外圓直線度φ0.15 mm，每隔100 mm在互相垂直的方向最大最小差不允許超過0.04 mm，表面粗糙度為Ra0.4 μm；內(nèi)孔尺寸為φ25 mm(內(nèi)圓直徑)×1 470 mm(深度)，其尺寸精度與表面質(zhì)量較寬松，可按未注精度執(zhí)行。

2 工藝方案

依據(jù)零件技術(shù)要點(diǎn)，在保證加工質(zhì)量的前提下，從坯料的選用、工藝流程的設(shè)計(jì)、工裝的配置、設(shè)備的選用、工藝參數(shù)的優(yōu)選等方面考慮加工的可行性與經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)過科學(xué)的論證，制定了2套工藝方案及研究的側(cè)重點(diǎn)，將零件設(shè)計(jì)為整體結(jié)構(gòu)式和焊接結(jié)構(gòu)式2種成型模式及加工模式，按照每種類型分別加工3個樣件開展工藝試驗(yàn)與研究，尋求優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的加工方法。

整體結(jié)構(gòu)式和焊接結(jié)構(gòu)式2種零件分別從毛坯、熱處理、機(jī)械加工、焊接及檢測全流程等方面進(jìn)行分析，整體結(jié)構(gòu)式毛坯為圓鋼實(shí)料，重點(diǎn)研究零件鉆孔偏移量造成外圓加工過程中余量不均勻產(chǎn)生應(yīng)力變形與內(nèi)外圓不同軸產(chǎn)生的壁厚差；焊接結(jié)構(gòu)式毛坯為鋼管，重點(diǎn)研究鏜孔偏移量產(chǎn)生的壁厚差與焊接變形對尺寸精度及直線度等的影響。2種零件外形結(jié)構(gòu)及尺寸分別如圖1和圖2所示。

3 加工中的不利因素[1-2]

零件中部為小直徑深盲孔，加工的主要內(nèi)容為深孔與外圓，在加工過程中存在如下影響加工精度的不利因素。

1)加工余量不均勻產(chǎn)生的應(yīng)力變形。采用整體結(jié)構(gòu)式，零件毛坯為圓鋼實(shí)心料，小直徑深孔加工偏移量大，造成外圓加工過程中余量不均勻產(chǎn)生應(yīng)力變形。

2)焊接產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。采用焊接結(jié)構(gòu)式，焊接產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力影響尺寸精度及內(nèi)腔的氣密性。

3)內(nèi)孔和外圓加工基準(zhǔn)不一致存在誤差。深盲孔加工后，以內(nèi)孔為基準(zhǔn)車磨外圓，存在搞正深孔困難、內(nèi)孔和外圓加工基準(zhǔn)不一致的誤差，影響零件的壁厚差、同軸度等。

4)細(xì)長筒本身的剛度不足。零件屬于細(xì)長筒類零件，受切削力及機(jī)械加工應(yīng)力等工藝因素的干擾，在加工過程中易變形，產(chǎn)生撓度，影響零件的壁厚差、直線度等。

5)多次校正產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。由于零件在加工過程中需多次反復(fù)校正，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，易變形，影響尺寸精度及壁厚差等。

4 加工方法

4.1 整體結(jié)構(gòu)式零件

整體結(jié)構(gòu)式零件毛坯選用圓鋼棒料，主要從優(yōu)化工藝流程、工藝參數(shù)、去應(yīng)力、校正方法及優(yōu)化裝夾方式等方面進(jìn)行研究。

4.1.1 工藝流程

工藝流程為：粗車外圓→調(diào)質(zhì)→校正→鉆孔→車架位→半精車外圓→去應(yīng)力→校正→精加工外圓→其他輔助工序。

4.1.2 深孔加工

深孔加工是工藝流程中的關(guān)鍵工序，在鉆削深孔過程中通過刀具結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)保證排屑順暢，通過穩(wěn)定鉆頭的正確導(dǎo)向保證鉆孔精度，提高內(nèi)孔的偏移量及直線度。鉆頭采用內(nèi)排屑機(jī)夾式結(jié)構(gòu)，鉆削采用優(yōu)選的切削參數(shù)[3-4](見表1)，深孔偏移量控制在1 mm內(nèi)，減少車削外圓產(chǎn)生的應(yīng)力集中。

表1 鉆孔切削參數(shù)表

4.1.3 去應(yīng)力處理

半精車外圓后去應(yīng)力，減少加工中產(chǎn)生的熱變形、受力變形等引起的應(yīng)力集中，穩(wěn)定材料內(nèi)部組織，對各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)起到穩(wěn)定化的作用[5-7]，去應(yīng)力采用優(yōu)化的熱處理參數(shù)(見表2)。

表2 去應(yīng)力參數(shù)表

4.1.4 采用校正方法

在粗加工、半精加工及精加工工序間穿插校正，校正前分段檢測并標(biāo)識壁厚的高點(diǎn)與低點(diǎn)，校正時按壁厚差的一半校正，同時用百分表檢查外圓擺差控制在0.1 mm范圍內(nèi)，保證下道工序余量，同時減少壁厚差值[8-9]。

4.1.5 優(yōu)化車削架位裝夾定位方式

為保證內(nèi)外圓的同軸度，零件深孔精加后，需將內(nèi)孔中心復(fù)映到外圓上，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換到加工的工藝基準(zhǔn)上，工藝基準(zhǔn)即為兩端的中心孔，為此，需進(jìn)行外圓架位的車削，架位設(shè)計(jì)在盲孔處(見圖3)，為找正內(nèi)孔，設(shè)計(jì)專用帶百分表的指針桿，工件旋轉(zhuǎn)時，通過百分表讀取內(nèi)孔的圓跳動，判定是否找正。內(nèi)孔找正后車削架位處，然后以架位為基準(zhǔn)加工零件兩端的中心孔(見圖4)，作為加工外圓的基準(zhǔn)，保證壁厚差。

4.1.6 繼承傳統(tǒng)加工方式

利用細(xì)長軸類零件的夾持方式，采用卡箍、撥盤、頂尖及隨刀架夾持，大主偏角車刀加工減少切削力，減少加工中的撓度，從而解決整個加工系統(tǒng)的剛度問題；此外加工時進(jìn)行充分冷卻，可減少加工中的熱變形。

4.2 焊接結(jié)構(gòu)式零件

焊接結(jié)構(gòu)式零件為本體和接頭組焊型式。本體毛坯選用熱軋無縫鋼管，降低由于實(shí)料加工對內(nèi)外圓壁厚差的影響[10]，接頭選用圓鋼棒料。

4.2.1 工藝流程

工藝流程為：本體與接頭的半精加工→焊接→回火消除焊接殘余應(yīng)力→探傷→校正→車架位→精加工外圓→其他輔助工序。

4.2.2 本體半精加工

焊接前完成本體管件內(nèi)孔的精鏜加工與外圓的半精加工，其中鏜孔采用內(nèi)排屑機(jī)夾式擴(kuò)孔鏜導(dǎo)頭，優(yōu)選切削參數(shù)(見表3)，同時調(diào)整冷卻液的壓力及流量，控制鏜孔偏移量，外圓雙邊余量約為5 mm，待焊后精加工，保證內(nèi)孔與外圓的同軸度，要求本體焊接前壁厚差控制在0.3～0.4 mm范圍內(nèi)。

表3 鏜孔切削參數(shù)表

4.2.3 焊接

本體管件完成后按照焊接工藝、焊接參數(shù)(見表4)焊接，采用小電流、低電壓的焊接工藝參數(shù)，分2～3層施焊，打底層焊條直徑為2.5 mm，填充及蓋面層焊條直徑為3.2 mm，盡量降低單位焊接熱輸入，減少變形量[11-12]。局部焊接過程中有一定的變形量，但外圓留有足夠的加工余量可覆蓋變形量，焊后不會對外圓的加工產(chǎn)生影響，焊接后對內(nèi)孔珩磨與外圓的精加工，保證零件的尺寸精度與幾何公差。

表4 焊接參數(shù)表

5 加工結(jié)果及分析

5.1 加工結(jié)果

整體結(jié)構(gòu)式和焊接結(jié)構(gòu)式2種成型模式及加工模式的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表5)均在技術(shù)要求范圍內(nèi)，外圓直徑尺寸精度達(dá)IT8級，壁厚差基本穩(wěn)定在0.2～0.3 mm之間，個別壁厚差為0.4 mm，外圓直線度在φ(0.09～0.13) mm之間。

表5 樣件檢測結(jié)果

5.2 結(jié)果分析

研究表明，2種方案均能滿足技術(shù)要求，小直徑深盲孔軸類零件加工方法解決了尺寸精度、直線度及壁厚差的技術(shù)瓶頸，質(zhì)量穩(wěn)定，取得了較好的效果，但外圓直線度數(shù)值偏大，還需持續(xù)改進(jìn)優(yōu)化。

小直徑深盲孔零件的2種加工模式各有優(yōu)缺點(diǎn)：整體結(jié)構(gòu)式零件的優(yōu)點(diǎn)是毛坯選料單一，整體性能好；缺點(diǎn)是內(nèi)盲孔切削量大，增大毛坯消耗量，另外由于盲孔小且深，屬于半封閉狀態(tài)，鉆削用刀具、刀柄、刀體及工藝參數(shù)等設(shè)計(jì)難度大，需穩(wěn)定性、可靠性的工藝配置，造成加工成本與材料成本高。焊接結(jié)構(gòu)式的優(yōu)點(diǎn)是本體管件與接頭可采用不同的型材，切削量較小，加工成本與材料成本低；缺點(diǎn)是焊接后續(xù)回火，探傷檢測焊縫或打壓檢測密封性，工藝流程較多，成本較高。

基于上述分析，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用時應(yīng)按生產(chǎn)類型、設(shè)備及現(xiàn)場環(huán)境等條件靈活應(yīng)用，當(dāng)單件及小批量生產(chǎn)時可考慮整體結(jié)構(gòu)型式，而中批或大批量生產(chǎn)時則考慮焊接結(jié)構(gòu)型式。

6 技術(shù)措施

1)應(yīng)用車削方法。采用四爪單動卡盤與中心架夾持方式，搞正盲孔深處的車削架位處，保證內(nèi)孔與外圓同軸，糾正深孔鏜削的偏移量，控制零件的壁厚差。

2)應(yīng)用熱處理方法。為減小裝夾、機(jī)械加工時產(chǎn)生的受力變形及焊接的熱變形，在精加工之前對零件進(jìn)行去應(yīng)力處理，設(shè)計(jì)去應(yīng)力溫度與時間，消除應(yīng)力集中產(chǎn)生的變形，同時避免溫度過高再次產(chǎn)生熱應(yīng)力導(dǎo)致變形超差，為后續(xù)工序保證加工精度和幾何公差奠定工藝基礎(chǔ)。

3)應(yīng)用校正方法。在熱處理前后、焊后、精車、精磨削工序后，依據(jù)壁厚差的檢測數(shù)據(jù)及壁厚的高點(diǎn)與低點(diǎn)標(biāo)識位置，并按壁厚差的一半校正外圓，控制各工序壁厚差值。

4)應(yīng)用鉆鏜深孔方法。嚴(yán)格選用深孔刀具與工藝參數(shù)等控制孔的偏移量，減少零件的壁厚差。

7 結(jié)語

大長徑比小直徑深盲孔典型零件的分析研究與試制結(jié)果表明，零件成型模式與加工方法可行，采取的技術(shù)措施與各類技術(shù)參數(shù)有效，突破了筒軸件加工技術(shù)瓶頸，為其他類似結(jié)構(gòu)薄壁大長徑比小直徑深盲孔筒軸類件的制造提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，具有推廣使用價值。