大型薄壁件折流管加工中变形防控_刘亚玲.pdf

2023 年第 2 期大型薄壁件折流管加工中变形防控刘 亚 玲(沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司，沈阳110869)摘要:随着泵类产品的不断创新、发展，特殊结构的零部件也相应增多，大型薄壁件就是其中一种。折流管作为泵中一个大型薄壁件，因加工变形，其尺寸及形位公差都很难达到设计图纸及相关加工标准要求。以折流管加工中变形防控为切入点，论述了在数控立车上设计夹头及专用装夹工具对装夹变形及振动变形进行防控，通过刀具验证、优化加工参数对加工变形进行防控的方法，希望能够切实有效地解决折流管的变形问题，从而提升泵的安全性与可靠性。关键词:泵用折流管夹头薄壁件工装蛛型夹具线切割中图分类号:TH311文献标识码:A折流管作为泵中的一个重要件，其主要作用是在泵事故工况下，减缓密封处温度上升，防止因高温导致的密封失效。受泵整体空间所限，折流管设计结构件大、壁薄。因其外型尺寸较大，薄处壁厚单边只有 5 mm，加工中随着壁厚的减小，其刚性降低，加工变形增大。按照图纸进行加工及检测是实现其功能的关键，也是决定设备正常运转的关键。因此，在开发研制过程中，针对影响折流管加工变形的因素进行多方位分析并进行防控，最终目标是实现设计图纸要求。1折流管结构分析如图 1 所示，折流管为大型薄壁件，其材质为ASTM A 473M S415OO，马氏体不锈钢。来料状态:锻钢件，重量 41 kg;外型尺寸:615/565 520 mm;小端内孔尺寸 565 mm，外圆尺寸575 mm，单边壁厚为 5 mm，长度为 490 mm。从上述设计要求可知，折流管壁厚 5 mm 处长490 mm，而其外径为 575 mm，属于大型薄壁件。因其刚性较差，加工中影响变形因素很多，如装夹图 1中间折流管示意图变形、切削热引起的变形、刀具振动产生的变形等。所以，加工中所用设备、刀具、工装及装夹形式都可能导致其变形，从而影响工件尺寸精度、表面粗糙度及形位公差。本文要研究的是在加工中如何采取相关措施，防控其变形。2加工设备选用通过分析折流管的结构特点，除了端面孔之外，其主体结构均需车削完成，其加工设备可用普通立车，还可选用数控立车。相比普通立车，数控立车有如下优点:加工径向尺寸大;工作台台面处于水平平面内，能够长期保持工作精度;使用数控立车不仅可以提高生产加工效率，还可以提高加工的稳定性;靠程序设定简化整体生产过程，使用时可以提高加工精度，避免复杂的误差值。为了减小其变形，提高表面粗糙度，折流管选用设备为数控立式加工中心，型号为 VCE2000/160。3加工中变形防控在加工过程中，如果采用传统的装夹方式 崩内孔或卡外圆，因件较薄、刚性差，则会导致较大变形。本文分别从装夹方式、工装设计、刀具及选择合理的加工参数对其变形控制进行论述1 2。3.1大端留夹头控制因装夹产生的变形在出锻件图时，为了增加装夹时的受力面积，要求热处理技术人员在锻件图上除了加工余量外又052023 年第 2 期预留出 100 mm 长的余量，作为加工时装夹用夹头，整个加工过程中无论是车内孔还是车圆，只装夹夹头部位，加工时从小端往大端加工。粗加工图如图 2 所示。3.2车外圆时的装夹方式3.2.1粗车外圆时的装夹如果靠只卡夹头的方式加工内孔和外圆，因夹头只在一端，加工部位又较长，对变形只能有效地控制一部分。所以为了有效控制其变形及正常上刀，粗车外圆时，因内孔有余量，上端面可以上压板，采取从内孔上压板压端面、对称压四点的方式，粗车外圆。即粗车外圆时，采取一端卡预留的夹头部位、内孔上压板压小端端面的方式进行加工。3.2.2精车外圆时的装夹因粗车给精车留余量为单边 2 mm，如果从内孔直接上压板压端面，因余量粗车后变少，上端面可压面积很少，工件不稳。针对这种情况，以粗车内孔为止口定位，设计了从内孔上压板的胎具，压板压在胎具上平面，增加工件受压面积，从而增加工件装夹时的稳定性，胎具如图 3 所示。为了增加胎具与工件的接触面积，内孔倒角需最后加工。3.2.3精车外圆时内孔采用工装支承精车外圆时，因余量变少，为了解决装卡变形及因件薄上不去刀的问题，除了设计胎具外，还设计了专用工装“蛛型夹具”，用于内孔支承，目的图 2中间折流管粗加工图图 3折流管精车外圆用胎具是增加其刚性、减少振动产生的变形。蛛型夹具如图 4 所示。垫块为圆弧形，与工件直接内孔接触。因蛛型夹具是放在折流管内孔中，需要注意的是为了避免蛛型夹具与工件接触部位研伤，与工件直接接触的垫块材质需用软一些的铜材质，支承座有两端用螺钉与垫块固定联接，相对称的另两端通过调节支承与螺钉、支承块相联接，并通过调节支承来调节蛛型夹具与工件接触的松紧。3.3车内孔时的装夹粗车、精车内孔时的装夹，一端夹夹头，另一端设计专用胎具，以折流管的外圆及端面设计胎具的配合止口。将胎具压在工件上端面，外部上压板，如图 5 所示。装夹形式如图 6 所示。图 4蛛型夹具图 5折流管精车内孔用胎具图 6折流管精车内孔时的装夹152023 年第 2 期精加工后用线切割法去除预留的夹头，以减小上设备用切刀切或车除时的装夹变形。4刀具选用刀具的合理选择对工件加工精度至关重要。数控立车常用刀具有偏刀、尖刀及切槽刀。切槽刀主要用于加工各类槽，因折流管没有槽需要加工，所以不考虑切槽刀。偏刀的特点是效率高，但因其刀尖角大，上刀阻力大，加工后的零件表面精度较低，适合加工壁厚较大或实心零部件，主要用于粗加工。尖刀因其刀尖角小，适合加工阻力小、表面粗糙度要求高、壁薄的零部件，主要用于精加工。为了提高加工效率，粗加工时刀具选用 75 度偏刀。在相 同 加 工 参 数 下 对 40 mm 40 mm、32 mm 25 mm、25 mm 25 mm 刀体规格的偏刀进行了试车试验，通过加工效率及表面质量对比，25 mm 25 mm 刀体规格的偏刀最优。精加工时，为了保证其加工质量及防控变形，选用加工阻力小的 35 度尖刀。在相同加工参数下对 40 mm 40 mm、32 mm 25 mm、25 mm 25 mm刀体规格的尖刀进行了试车试验，通过加工效率、尺寸及表面质量对比，25 mm 25 mm 刀体规格的尖刀最优。5加工参数刀具确定之后，还要考虑加工参数，因为加工表 1切削参数加工方式转速/(r/min)进给量/(mm/min)单边吃刀量/mm粗加工300.12 0.180.05 0.2精加工200.12 0.180.01 0.05参数的不同影响着工件表面质量及变形程度。用相同的刀具进行了多组加工参数试验，经过对比，最终确定最优加工参数区间如表 1 所示。6结论综上，在数控立车上，通过大端设计夹头、小端上胎具的装夹方式减小了装夹变形;内孔上蛛型夹具支承，增加了工件的刚性，同时也减小了刀具振动导致的变形;粗加工、精加工选用不同的刀具参数，既保证了加工效率，也保证了工件加工精度;通过最优加工参数试验，有效地避免了加工变形，提高了工件表面精度。上述措施相结合，最终中间折流管加工检测合格。大型薄壁件折流管的试制成功为项目的顺利完成提供了保证，同时在薄壁件加工方面提供了技术参考。参考文献 1 陈宏钧机械加工工艺施工员手册 M 北京:机械工业出版社，2010 2 郑永康薄壁零件控制加工变形的工艺方法 J 机械制造，2012(4):88 89(本文编辑胡玉靓)(收稿日期2022 11 03)(上接第 32 页)9 司乔瑞，盛国臣，衡亚光，等基于 Lighthill 声类比理论的离心泵流动诱导噪声的数值模拟 J 振动与冲击，2018，37(23):84 90，97 10 张德胜，张乃舒，许彬，等基于 Lighthill 声类比理论的喷水推进泵不稳定流动诱导噪声的数值研究 J 振动与冲击，2021，40(10):278 287 11 丁剑，刘厚林，王勇，等叶片出口角影响离心泵噪声辐射数值研究 J 振动与冲击，2014，33(2):122 127 12 王镇宇，杨爱玲，戴韧离心泵流动诱导噪声的数值预测 J 机械工程学报，2012，48(6):162 167 13 刘厚林，李钰，王凯，等流体激励下多级离心泵辐射噪声特性研究 J 华中科技大学学报:自然科学版，2017，45(11):92 97 14 王凯，李钰，刘厚林，等多工况下多级离心泵水动力噪声数值研究 J 振动与冲击，2018，37(9):50 55 15 袁寿其，薛菲，袁建平，等离心泵压力脉动对流动噪声影响的试验研究 J 排灌机械工程学报，2009，27(5):287290(本文编辑陈丽霞)(收稿日期2022 11 24)25