CN104400334A - 一种超薄壁厚金属管类零件的车床精密加工方法 - Google Patents

一种超薄壁厚金属管类零件的车床精密加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超薄壁厚金属管类零件的车床精密加工方法，所涉及零件的管径与壁厚之比超过100，在加工过程中，通过选择合适的装夹工具以及合理的加工顺序来减小加工过程中工件的整体变形，并在各加工步骤中选择合适的进刀切削量、选用与之相配的刀具来降低刀具切削时的热量，减小切削过程中对工件施加的应力。本发明可以有效控制车削加工过程中外力施加在工件上产生的应力变形，使零件切削时产生的内应力得到充分释放，保证超薄壁厚金属管类零件加工时的较高尺寸和形位公差要求，并使加工后的零件尺寸变形小、具有长期稳定性。本发明对于特殊领域所迫切需求的小型超薄壁厚管类零件的加工和制造具有普遍的参考意义。

Description

一种超薄壁厚金属管类零件的车床精密加工方法
技术领域
本发明属于机械加工领域，特别涉及一种超薄壁厚金属管类零件的车床精密加工方法。
背景技术
薄壁管类零件在国民生产的各个行业都有着广泛应用，特别是在航空航天及军事等特殊领域，如空间光学系统、低温制冷机及杜瓦等多种系统及设备中，金属薄壁管类零件得到大量应用，并起着非常关键的作用。而在金属切削加工以及制造行业中，薄壁管类零件的加工向来是个难点，突出表现为加工成品率低、加工之后的变形量大、稳定性差，该类问题一直是困扰相关加工制造行业的难题之一。航空航天及军事等特殊应用领域又对薄壁管类零件的壁厚、圆度、圆柱度等提出了非常苛刻的要求，如零件的管径与壁厚之比常常会超过100，而圆度和圆柱度又在微米量级，在这种情况下，加工过程就变得非常难以控制：一是加工过程中稍有不慎，管壁便会穿破，立即成为废品，使前期加工前功尽弃；二是在加工过程中稍有偏差，就会造成车削应力得不到完全释放，导致零件加工之后产生整体变形，特别是圆度和圆柱度产生重大偏差，从而使加工出来的零件失去使用价值。因此，使用精密车床对管径与壁厚之比超过100的超薄壁厚金属管类零件的加工时，必须要充分考虑超薄的管壁在车刀切削力的作用下会产生径向变形，然后采用相应的措施和方法将这一微小变形降到最低，保证零件的尺寸和形位公差处于要求范围之内，并保证零件加工后的稳定性。遗憾的是，截至目前，国内对这一类管径与壁厚之比超过100的超薄壁厚的金属管类零件的有针对性的车床精密加工方法还不多见。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明提出一种超薄壁厚金属管类零件的车床精密加工方法。本发明的目的在于，在使用精密车床加工管径与壁厚之比超过100的超薄壁厚的金属管类零件时，通过采取合适的方法，控制车削加工过程中外力施加在工件上产生的应力变形，使零件切削时产生的内应力得到充分释放，从而保证超薄壁厚金属管类零件加工时较高的尺寸和形位公差要求，并使加工之后的零件尺寸变形小、具有长期稳定性。
图1给出了本发明用来作为叙述实例的薄壁管零件的示意图，其整体为薄壁结构，一端为法兰结构，其整体结构中的管径与壁厚之比超过100。所发明的一种超薄壁厚金属管类零件的车床精密加工方法包括以下步骤：
步骤一：为坯料准备阶段，具体为首先选取外径大于最终零件最大外径的圆棒料，加工成如图2所示的粗坯件5；对粗坯件5进行高温处理工艺，再将经过热处理的粗坯件5加工到外形轮廓基本与图纸要求相似的如图3所示的毛坯件6，毛坯件内孔3和毛坯件外圆2均留有合适的精加工余量，精加工余量的选取为使得车削毛坯件内孔3时有一定的刚性即可，并控制法兰面23与毛坯件内孔3的垂直度；毛坯件6需要再经过高低温时效处理，去除其内部的残余应力，具体处理方法是先将毛坯件6放入液氮内浸泡3小时，然后取出，在室温下回复到常温状态，再放入烘箱内在150度温度下烘烤3小时，如此循环三遍完成毛坯件6的高低温时效处理；
步骤二：为加工法兰及工艺支撑结构阶段，具体为首先采用双顶针的方式将毛坯件6固定在三爪卡盘9上，如图4所示，毛坯件法兰4的一端套在带锥角的圆棒10上，另一端用压板11和车床顶针12压紧，在毛坯件法兰4的外圆车削出法兰台阶7，并将毛坯件法兰4的厚度加工到图纸要求，毛坯件法兰4与圆棒10接触的部分保留下来，形成法兰凸面8，法兰台阶7主要用来代替毛坯件法兰4起到后续加工过程中对毛坯件6的支撑作用；
步骤三：为镗削内孔阶段，具体为制作内孔夹头14和夹头螺母13，利用夹头螺母13压紧毛坯件6的法兰台阶7，使毛坯件6固定在内孔夹头14上，如图5所示，用镗孔刀车削毛坯件内孔3，孔径大小相比图纸要求留有一定余量，使毛坯件内孔3靠近毛坯件法兰4的一端比另一端略大，形成微小锥度；
步骤四：为车削外圆阶段，具体为首先制作一件与毛坯件内孔3的锥度相同的锥形研磨棒15，用锥形研磨棒15研磨毛坯件内孔3，如图6所示，使锥形研磨棒15与毛坯件内孔3紧密磨合在一起；如图7所示，将锥形研磨棒15制作有研磨棒外锥角面22的一端与毛坯件法兰4的一端放置在同一方向，研磨棒外锥角面22插入内孔夹头内锥面21上，夹头螺母13压着毛坯件6的法兰台阶7拧紧在内孔夹头14上，毛坯件法兰4的一端孔径较大，在夹头螺母13的挤压之下，将毛坯件6和锥形研磨棒15紧紧固定在内孔夹头14上，并在静摩擦力的作用下，使毛坯件6和锥形研磨棒15同时转动，确保不会出现打滑现象，在车床顶针12压紧锥形研磨棒15之后，车削毛坯件外圆2；在车削毛坯件外圆2的过程中使用较低的切削速度并保持刀尖锋利，以减少热量的产生，防止产生过大的热膨胀；鉴于大的吃刀量容易使薄壁件产生变形，因此分多层车削，且选用单边为0.05～0.2mm的吃刀量；刀具的前角要偏大，并选用更小的刀尖圆弧，以使车削时产生的径向切削力尽可能小，从而使零件在车削过程中产生的变形也相应减小；所有刀具都采用法兰面23为零点，这样便于加工过程中对长度尺寸的控制；毛坯件外圆2加工到要求尺寸后，进行打磨抛光，先使用砂纸，由500目砂纸到1500目砂纸逐级进行打磨，最后以2000目的研磨砂用羊毛毡进行抛光，直至达到毛坯件外圆2要求的粗糙度要求；
步骤五：为车削支撑部件阶段，具体为在毛坯件外圆2经过车削和打磨抛光之后，将毛坯件6从车床上卸下来，然后插入法兰凸面夹头16，如图8所示，夹头螺母13压着毛坯件6的法兰台阶7，将毛坯件6固定在法兰凸面夹头16上，车削法兰面23上的法兰凸面8，将法兰面23的端面车平，并将毛坯件法兰4加工到图纸要求的厚度；将套管18压在毛坯件法兰4上，压紧螺杆19穿过套管18，将套管18和毛坯件6一起固定在法兰台阶夹头17上，如图9所示，套管18和法兰台阶夹头17的外圆均小于毛坯件法兰4的外圆，将法兰台阶夹头17固定在车床的三爪卡盘9上，车削并去除毛坯件法兰4上的法兰台阶7，使毛坯件法兰4的外圆尺寸达到图纸要求；
步骤六：为修整内孔阶段，具体为在毛坯件法兰4车削完成之后，切削加工阶段即已完成，剩余毛坯件内孔3的微小锥度需要通过研磨的方式去除，并打磨抛光，使毛坯件内孔3的粗糙度达到图纸要求：具体方法是制作一件没有锥度的内孔研磨棒20，其外径比毛坯件内孔3的孔径略小，用内孔研磨棒20对毛坯件内孔3进行研磨，如图10所示，去除毛坯件内孔3的锥度，并选用2000目金刚砂对毛坯件内孔3进行抛光处理。
本发明的优点在于：
1)针对管径与壁厚之比超过100的超薄壁厚金属管类零件因管壁太薄而极易引起径向变形的特点，在使用精密车床进行加工时，从坯料准备、加工法兰及工艺支撑结构、镗削内孔、车削外圆、车削支撑部件、修整内孔六个步骤进行处理，每一步骤中无论是夹具的选择，还是刀具的运用，甚至每一次被吃刀量的选取，都紧紧围绕着如何尽可能减少径向变形来进行；
2)通过选择合适的装夹工具以及合理的加工顺序来减小加工过程中工件的整体变形，并根据加工工件的材料属性在各加工步骤中选择合适的进刀切削量、选用与之相配的刀具来降低刀具切削时的热量，减小切削过程中对工件施加的应力；
3)通过控制车削加工过程中外力施加在工件上产生的应力变形，使零件切削时产生的内应力得到充分释放，从而保证超薄壁厚金属管类零件加工时的较高尺寸和形位公差要求，并使加工之后的零件尺寸变形小、具有长期稳定性；
4)本发明介绍的方法，对于管径与壁厚之比超过100的超薄壁厚金属管类零件的车床精密加工方法具有很强的针对性。本发明对于特殊领域所迫切需求的小型超薄壁厚管类零件的加工和制造具有普遍的参考意义。
附图说明
图1为本发明用来作为叙述实例的薄壁管零件的示意图；
图2为粗坯件5的剖视图；
图3为毛坯件6的剖视图；
图4为车削法兰及工艺支撑结构时的装夹示意图；
图5为镗削内孔时的装夹示意图；
图6为研磨棒研磨锥形内孔时的装夹示意图；
图7为车削外圆时的装夹示意图；
图8为车削法兰凸面8时的装夹示意图；
图9为车削法兰台阶7时的装夹示意图；
图10为研磨内孔时的装夹示意图。
其中：1为薄壁管零件；2为毛坯件外圆；3为毛坯件内孔；4为毛坯件法兰；5为粗坯件；6为毛坯件；7为法兰台阶；8为法兰凸面；9为三爪卡盘；10为圆棒；11为压板；12为车床顶针；13为夹头螺母；14为内孔夹头；15为锥形研磨棒；16为法兰凸面夹头；17为法兰台阶夹头；18为套管；19为压紧螺杆；20为内孔研磨棒；21为内孔夹头内锥面；22为研磨棒外锥面；23为法兰面。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
图1给出了本发明用来作为叙述实例的薄壁管零件的示意图，其整体为薄壁结构，一端为法兰结构，其整体结构中的管径与壁厚之比为130。所发明的一种超薄壁厚金属管类零件的车床精密加工方法包括以下步骤：
步骤一：为坯料准备阶段，具体为首先选取外径大于最终零件最大外径的圆棒料，加工成如图2所示的粗坯件5；对粗坯件5进行高温处理工艺，再将经过热处理的粗坯件5加工到外形轮廓基本与图纸要求相似的如图3所示的毛坯件6，毛坯件内孔3和毛坯件外圆2均留有合适的精加工余量，精加工余量的选取为使得车削毛坯件内孔3时有一定的刚性即可，并控制法兰面23与毛坯件内孔3的垂直度；毛坯件6需要再经过高低温时效处理，去除其内部的残余应力，具体处理方法是先将毛坯件6放入液氮内浸泡3小时，然后取出，在室温下回复到常温状态，再放入烘箱内在150度温度下烘烤3小时，如此循环三遍完成毛坯件6的高低温时效处理；
步骤二：为加工法兰及工艺支撑结构阶段，具体为首先采用双顶针的方式将毛坯件6固定在三爪卡盘9上，如图4所示，毛坯件法兰4的一端套在带锥角的圆棒10上，另一端用压板11和车床顶针12压紧，在毛坯件法兰4的外圆车削出法兰台阶7，并将毛坯件法兰4的厚度加工到图纸要求，毛坯件法兰4与圆棒10接触的部分保留下来，形成法兰凸面8，法兰台阶7主要用来代替毛坯件法兰4起到后续加工过程中对毛坯件6的支撑作用；
步骤三：为镗削内孔阶段，具体为制作内孔夹头14和夹头螺母13，利用夹头螺母13压紧毛坯件6的法兰台阶7，使毛坯件6固定在内孔夹头14上，如图5所示，用镗孔刀车削毛坯件内孔3，孔径大小相比图纸要求留有一定余量，使毛坯件内孔3靠近毛坯件法兰4的一端比另一端略大，形成微小锥度；
步骤四：为车削外圆阶段，具体为首先制作一件与毛坯件内孔3的锥度相同的锥形研磨棒15，用锥形研磨棒15研磨毛坯件内孔3，如图6所示，使锥形研磨棒15与毛坯件内孔3紧密磨合在一起；如图7所示，将锥形研磨棒15制作有研磨棒外锥角面22的一端与毛坯件法兰4的一端放置在同一方向，研磨棒外锥角面22插入内孔夹头内锥面21上，夹头螺母13压着毛坯件6的法兰台阶7拧紧在内孔夹头14上，毛坯件法兰4的一端孔径较大，在夹头螺母13的挤压之下，将毛坯件6和锥形研磨棒15紧紧固定在内孔夹头14上，并在静摩擦力的作用下，使毛坯件6和锥形研磨棒15同时转动，确保不会出现打滑现象，在车床顶针12压紧锥形研磨棒15之后，车削毛坯件外圆2；在车削毛坯件外圆2的过程中使用较低的切削速度并保持刀尖锋利，以减少热量的产生，防止产生过大的热膨胀；鉴于大的吃刀量容易使薄壁件产生变形，因此分多层车削，且选用单边为0.06mm的吃刀量；刀具的前角要偏大，并选用更小的刀尖圆弧，以使车削时产生的径向切削力尽可能小，从而使零件在车削过程中产生的变形也相应减小；所有刀具都采用法兰面23为零点，这样便于加工过程中对长度尺寸的控制；毛坯件外圆2加工到要求尺寸后，进行打磨抛光，先使用砂纸，由500目砂纸到1500目砂纸逐级进行打磨，最后以2000目的研磨砂用羊毛毡进行抛光，直至达到毛坯件外圆2要求的粗糙度要求；
步骤五：为车削支撑部件阶段，具体为在毛坯件外圆2经过车削和打磨抛光之后，将毛坯件6从车床上卸下来，然后插入法兰凸面夹头16，如图8所示，夹头螺母13压着毛坯件6的法兰台阶7，将毛坯件6固定在法兰凸面夹头16上，车削法兰面23上的法兰凸面8，将法兰面23的端面车平，并将毛坯件法兰4加工到图纸要求的厚度；将套管18压在毛坯件法兰4上，压紧螺杆19穿过套管18，将套管18和毛坯件6一起固定在法兰台阶夹头17上，如图9所示，套管18和法兰台阶夹头17的外圆均小于毛坯件法兰4的外圆，将法兰台阶夹头17固定在车床的三爪卡盘9上，车削并去除毛坯件法兰4上的法兰台阶7，使毛坯件法兰4的外圆尺寸达到图纸要求；
步骤六：为修整内孔阶段，具体为在毛坯件法兰4车削完成之后，切削加工阶段即已完成，剩余毛坯件内孔3的微小锥度需要通过研磨的方式去除，并打磨抛光，使毛坯件内孔3的粗糙度达到图纸要求：具体方法是制作一件没有锥度的内孔研磨棒20，其外径比毛坯件内孔3的孔径略小，用内孔研磨棒20对毛坯件内孔3进行研磨，如图10所示，去除毛坯件内孔3的锥度，并选用2000目金刚砂对毛坯件内孔3进行抛光处理。

Claims (1)

1.一种超薄壁厚金属管类零件的车床精密加工方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
步骤一：为坯料准备阶段，具体为首先选取外径大于最终零件最大外径的圆棒料，加工成粗坯件(5)；对粗坯件(5)进行高温处理工艺，再将经过热处理的粗坯件(5)加工到外形轮廓基本与图纸要求相似的毛坯件(6)，毛坯件内孔(3)和毛坯件外圆(2)均留有合适的精加工余量，精加工余量的选取为使得车削毛坯件内孔(3)时有一定的刚性即可，并控制法兰面(23)与毛坯件内孔(3)的垂直度；毛坯件(6)需要再经过高低温时效处理，去除其内部的残余应力，具体处理方法是先将毛坯件(6)放入液氮内浸泡3小时，然后取出，在室温下回复到常温状态，再放入烘箱内在150度温度下烘烤3小时，如此循环三遍完成毛坯件(6)的高低温时效处理；
步骤二：为加工法兰及工艺支撑结构阶段，具体为首先采用双顶针的方式将毛坯件(6)固定在三爪卡盘(9)上，毛坯件法兰(4)的一端套在带锥角的圆棒(10)上，另一端用压板(11)和车床顶针(12)压紧，在毛坯件法兰(4)的外圆车削出法兰台阶(7)，并将毛坯件法兰(4)的厚度加工到图纸要求，毛坯件法兰(4)与圆棒(10)接触的部分保留下来，形成法兰凸面(8)，法兰台阶(7)主要用来代替毛坯件法兰(4)起到后续加工过程中对毛坯件(6)的支撑作用；
步骤三：为镗削内孔阶段，具体为制作内孔夹头(14)和夹头螺母(13)，利用夹头螺母(13)压紧毛坯件(6)的法兰台阶(7)，使毛坯件(6)固定在内孔夹头(14)上，用镗孔刀车削毛坯件内孔(3)，孔径大小相比图纸要求留有一定余量，使毛坯件内孔(3)靠近毛坯件法兰(4)的一端比另一端略大，形成微小锥度；
步骤四：为车削外圆阶段，具体为首先制作一件与毛坯件内孔(3)的锥度相同的锥形研磨棒(15)，用锥形研磨棒(15)研磨毛坯件内孔(3)，使锥形研磨棒(15)与毛坯件内孔(3)紧密磨合在一起；将锥形研磨棒(15)制作有研磨棒外锥角面(22)的一端与毛坯件法兰(4)的一端放置在同一方向，研磨棒外锥角面(22)插入内孔夹头内锥面(21)上，夹头螺母(13)压着毛坯件(6)的法兰台阶(7)拧紧在内孔夹头(14)上，毛坯件法兰(4)的一端孔径较大，在夹头螺母(13)的挤压之下，将毛坯件(6)和锥形研磨棒(15)紧紧固定在内孔夹头(14)上，并在静摩擦力的作用下，使毛坯件(6)和锥形研磨棒(15)同时转动，确保不会出现打滑现象，在车床顶针(12)压紧锥形研磨棒(15)之后，车削毛坯件外圆(2)；在车削毛坯件外圆(2)的过程中使用较低的切削速度并保持刀尖锋利，以减少热量的产生，防止产生过大的热膨胀；鉴于大的吃刀量容易使薄壁件产生变形，因此分多层车削，且选用单边为0.05～0.2mm的吃刀量；刀具的前角要偏大，并选用更小的刀尖圆弧，以使车削时产生的径向切削力尽可能小，从而使零件在车削过程中产生的变形也相应减小；所有刀具都采用法兰面(23)为零点，这样便于加工过程中对长度尺寸的控制；毛坯件外圆(2)加工到要求尺寸后，进行打磨抛光，先使用砂纸，由500目砂纸到1500目砂纸逐级进行打磨，最后以2000目的研磨砂用羊毛毡进行抛光，直至达到毛坯件外圆(2)要求的粗糙度要求；
步骤五：为车削支撑部件阶段，具体为在毛坯件外圆(2)经过车削和打磨抛光之后，将毛坯件(6)从车床上卸下来，然后插入法兰凸面夹头(16)，夹头螺母(13)压着毛坯件(6)的法兰台阶(7)，将毛坯件(6)固定在法兰凸面夹头(16)上，车削法兰面(23)上的法兰凸面(8)，将法兰面(23)的端面车平，并将毛坯件法兰(4)加工到图纸要求的厚度；将套管(18)压在毛坯件法兰(4)上，压紧螺杆(19)穿过套管(18)，将套管(18)和毛坯件(6)一起固定在法兰台阶夹头(17)上，套管(18)和法兰台阶夹头(17)的外圆均小于毛坯件法兰(4)的外圆，将法兰台阶夹头(17)固定在车床的三爪卡盘(9)上，车削并去除毛坯件法兰(4)上的法兰台阶(7)，使毛坯件法兰(4)的外圆尺寸达到图纸要求；
步骤六：为修整内孔阶段，具体为在毛坯件法兰(4)车削完成之后，切削加工阶段即已完成，剩余毛坯件内孔(3)的微小锥度需要通过研磨的方式去除，并打磨抛光，使毛坯件内孔(3)的粗糙度达到图纸要求：具体方法是制作一件没有锥度的内孔研磨棒(20)，其外径比毛坯件内孔(3)的孔径略小，用内孔研磨棒(20)对毛坯件内孔(3)进行研磨，去除毛坯件内孔(3)的锥度，并选用2000目金刚砂对毛坯件内孔(3)进行抛光处理。
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