CN104723045A - 一种台阶内孔大深径比轴的加工工艺及工具 - Google Patents

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Abstract

一种台阶内孔大深径比轴的加工工艺及工具，工艺是先准备工件坯料，钻中间孔，精镗中孔，珩磨中孔，然后推镗大孔，再钻小孔，然后旋锻整形，再机加外圆，最后抽出组合芯轴，组合芯轴由大端芯轴、中段芯轴和小端芯轴通过螺纹连接，本发明显著提高了钻孔直线度，降低废品率，与此同时增加了工件力学性能。

Description

一种台阶内孔大深径比轴的加工工艺及工具
技术领域
本发明涉及大深径比薄壁细长轴类零件制造技术领域，特别涉及一种台阶内孔大深径比轴的加工工艺及工具。
背景技术
大深径比薄壁细长轴在高速转动机构中起到关键作用，特别是在航空发动机和燃气轮机中占有重要的位置，该零件承受弯曲与扭转交变应力，零件加工质量影响发动机工作安全可靠性。薄壁细长轴的加工技术是航空发动机的关键制造技术之一，是增强我国航空发动机行业核心、全面发展航空动力技术不可或缺的方面。
目前的加工工艺为：坯料—钻中间孔—钻小孔—扩孔加工大孔—内孔珩磨—外表面精加工。
传统制造方法存在的问题主要是轴的同轴度和壁厚分布不均匀，从而影响使用性能。由于细长轴阶梯内孔深度大，钻孔刀具长且直径小，加工过程中无法避免钻斜及孔径尺寸精度。目前，国内外先进机床均无法解决细长轴阶梯内孔深孔钻同轴度和空心度问题。因此，亟需先进制造工艺和装置。
旋转锻造，简称旋锻，是一种由两到四块锻模一方面环绕坯料轴线高速旋转，另一方面又对坯料进行高频锻打，从而使坯料轴截面尺寸减小或形状改变的渐进成形方法，适用于棒料、管材或线材精密加工的回转成形工艺，属于渐进成形和近净成形的范畴。
对于细长轴零件的加工，如果在钻孔过程中出现钻大、钻斜的问题，可以采用旋转锻造的方法进行缩径，然后在进行机械加工的方法，可以实现废品零件的再利用，显著降低加工废品率。将旋转锻造工艺应用于细长轴内孔整形加工，不但能够保证内孔直线度，壁厚分布均匀，还能提高零件的力学性能。目前还没有相关工艺的文献报道。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种台阶内孔大深径比轴的加工工艺及工具，显著提高了钻孔直线度，降低废品率，与此同时增加了工件力学性能。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种台阶内孔大深径比轴的加工工艺，包括以下步骤：
1)准备工件坯料：工件坯料长度是L-Δ，其中L是工件设计总长度值，Δ为锻造伸长量，取值范围2～3mm，车外圆，打顶尖孔，车两端基准外圆，两端倒角，得到工件1；
2)钻中间孔：将工件1装夹在深孔钻床上，沿工件1轴线方向均布两个支撑架2，然后钻中间孔，钻孔直径大于中间孔设计要求0.1～0.2mm，钻孔长度是L1’-Δ，其中L1’是设计要求的大孔与中间孔长度尺寸之和；
3)精镗中孔：然后将工件1装夹在镗床上精镗中间孔，经过精镗后中间孔直径大于设计要求0.3～0.6mm，直线度要求小于0.05mm，内孔表面粗糙度为1.6；
4)珩磨中孔：再将工件1装夹在珩磨机上进行珩磨，使中间孔尺寸精度达到IT6，圆柱度1～0.5，直线度1，粗糙度0.8～0.1；
5)推镗大孔：然后将内部支撑架Ⅰ固定在钻杆3上，确保内部支撑架Ⅰ处在中间孔内，镗刀4位于内部支撑架Ⅰ后面，后面为刀具相对于工件1运动方向的反方向，将工件1装夹在镗床上推镗大孔，大孔尺寸与设计要求一致；
6)钻小孔：再将内部支撑架Ⅰ固定在钻杆3上，确保内部支撑架Ⅰ处在中间孔内，钻头5位于内部支撑架Ⅰ前面，将工件1装夹在深孔钻床上钻小孔，小孔直径大于设计要求0.3mm～0.6mm；
7)旋锻整形：将工件1与组合芯轴Ⅱ进行装配后装夹在旋锻设备上，旋锻夹头6夹住工件1大端，旋锻锤头7径向打击工件1另一端，工件1内径缩小，贴紧组合芯轴Ⅱ，完成内孔整形；
8)机加外圆：将工件1与组合芯轴Ⅱ一起装夹在车床上进行外圆的车削加工，加工至设计要求尺寸；
9)抽出组合芯轴Ⅱ：先通过旋转加振动的方式抽出大端芯轴8，再用同样的方法抽出小端芯轴10，最后顶出中间芯轴9。
所述的组合芯轴Ⅱ，包括大端芯轴8、中段芯轴9和小端芯轴10，三段芯轴通过锥面定位，通过螺纹连接，三段芯轴螺纹孔均采用反向螺纹，大端芯轴8尺寸与大孔设计尺寸相同；中段芯轴9长度是L1-Δ，其中L1是中间孔的设计长度，直径尺寸与设计尺寸相同；小端芯轴10长度是L2+δ，其中L2是小孔设计长度，δ为芯轴长度余量，取值范围10～20mm，直径尺寸与设计尺寸相同。
所述的内部支撑架Ⅰ，包括保持架16，保持架16套在壳体内孔壁11-1上，保持架16装有三个以上的保持架叶片16a，保持架叶片16a内侧装有导轨16b，一组楔块15装在保持架叶片16a之间，每一组楔块15中的第一楔块15a装在导轨16b上，第一楔块15a上放置滚珠14，滚珠14位于壳体11上的孔11-2内，同时滚珠14夹在保持架叶片16a之间，第二楔块15b在第一楔块15a下方，第二楔块15b侧面安装有液压顶紧环17，液压顶紧环17套在保持架16上。
所述的壳体11，由4块分壳体11a、11b、11c、11d通过径向螺栓18和轴向螺栓19连接成一体，第一分壳体11a上设有油孔11a-1，分壳体之间垫有径向垫片12和轴向垫片13。
所述液压顶紧环17，包括顶出环17a，顶出环17a装在储油内腔17b中，储油内腔17b上设有进油口17b-1。
本发明具有以下优点：
1、提高深孔钻的直线度。钻小孔过程中使用内部支撑结构，能够大大提高刀杆的刚度，从而提高小孔加工的直线度。考虑到阶梯内孔定位难的问题，采用先加工中间孔，然后以中间孔为导向，放入支撑装置，从而提高同轴度和直线度。
2、采用旋转锻造进行整形，降低了机械加工台阶内孔的精度要求，借助金属流动的特点，实现高精度阶梯内孔的制造。
3、降低废品率。针对初始钻孔孔径超差，和直线度超差的问题，可采用旋转锻造工艺缩径，之后再次进行机械加工。
4、采用组合芯轴作为外圆面加工的中心定位，保证了外圆和内部阶梯的同轴度，从而确保了壁厚精度。
5、提高加工效率。由于省去大孔和小孔的珩磨工序，提高零件加工效率。
6、降低加工经济成本。珩磨成本较高，通过旋锻工艺进行内表面成形能够节省加工经济成本。
7、提高零件的力学性能。经过锻打之后，细长轴零件的外表面存在压应力，材料的压应力可以提高疲劳寿命，因此，有利于零件在复杂状态下的服役性能。
8、适用于两阶及以上的多阶台阶内孔的加工。
附图说明
图1是本发明钻中间孔示意图。
图2是本发明带导向推镗大孔示意图。
图3是本发明带导向钻小孔示意图。
图4是本发明旋锻整形示意图。
图5是图4的A-A剖视图。
图6是本发明组合芯轴示意图。
图7是本发明内部支撑架示意图。
图8是图7的B-B剖视图。
图9是图8的C-C剖视图。
图10是本发明保持架结构示意图。
图11是本发明液压顶紧环结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
以三阶台阶内孔的轴为例，一种台阶内孔大深径比轴的加工工艺，包括以下步骤：
1)准备工件坯料：工件坯料长度是L-Δ，其中L是设计要求总长度值，Δ为锻造伸长量，需根据计算机数值模拟及实验结果来取，取值范围2～3mm，车外圆，打顶尖孔，车两端基准外圆，两端倒角，得到工件1；
2)钻中间孔：参照图1，将工件1放在深空钻床上，沿工件1轴线方向均布两个支撑架2，然后钻中间孔，钻孔直径大于设计要求0.1～0.2mm，工件1中间孔长度是L1-Δ，其中L1是设计要求的中间孔长度尺寸；
3)精镗中孔：然后将工件1装夹在镗床上精镗中间孔，经过精镗工艺，中间孔直径径大于设计要求0.3～0.6mm，直线度要求小于0.05mm，内孔表面粗糙度为1.6；
4)珩磨中孔：再将工件1装夹在珩磨机上进行珩磨，经过珩磨使得中间孔的尺寸精度达到IT6，圆柱度1～0.5，直线度1，粗糙度0.8～0.1；
5)推镗大孔：参照图2，然后将内部支撑架Ⅰ固定在钻杆3上适当位置，确保内部支撑架Ⅰ处在中间孔内，镗刀4位于内部支撑架Ⅰ后面，后面为刀具相对于工件1运动方向的反方向，将工件1装夹在镗床上推镗大孔，大孔尺寸与设计要求一致；
6)钻小孔：参照图3，将内部支撑架Ⅰ固定在钻杆3上，确保内部支撑架Ⅰ处在中间孔内，钻头5位于内部支撑架Ⅰ前面，将工件1装夹在深孔钻床上钻小孔，小孔直径大于设计要求0.3mm～0.6mm；
7)旋锻整形：参照图4和图5，将工件1与组合芯轴Ⅱ进行装配后装夹在旋锻设备上，旋锻夹头6夹住工件1大端，旋锻分锤头7a、7b、7c、7d径向打击工件1另一端，工件1沿着图4箭头所指的方向进给，工件1内径缩小，贴紧组合芯轴Ⅱ，完成内孔整形，旋锻量通过公式来计算，其中D是锻前工件外径，D0是锻后外径尺寸，d是锻前内孔尺寸，d0是芯轴直径尺寸，计算出的D0作为锻后外径参数，调整旋锻设备的锻造量；
8)机加外圆：将工件1和组合芯轴Ⅱ一起装夹在车床上进行外圆的车削加工，加工至设计要求尺寸；
9)抽出组合芯轴Ⅱ：参照图6，先通过旋转加振动的方式抽出大端芯轴8，再用同样的方法抽出小端芯轴10，最后顶出中间芯轴9。
参照图6，所述的组合芯轴Ⅱ，包括大端芯轴8、中段芯轴9和小端芯轴10，三段通过锥面定位，通过螺纹连接，三段芯轴螺纹孔均采用反向螺纹，大端芯轴8尺寸与大孔设计尺寸相同；中段芯轴9长度是L1-Δ，其中L1是中间孔的设计长度，直径尺寸与设计尺寸相同；小小端芯轴10长度是L2+δ，其中L2是小孔设计长度，δ为芯轴长度余量，数值需要根据计算机模拟和试验结果来确定，取值范围10～20mm，直径尺寸与设计尺寸相同。
参照图7、图8、图9、图10，所述的内部支撑架Ⅰ，包括保持架16，保持架16套在壳体内孔壁11-1上，保持架16装有6个保持架叶片16a，保持架叶片16a内侧装有导轨16b，一组楔块15装在保持架叶片16a之间，每一组楔块15中的第一楔块15a装在导轨16b上，第一楔块15a上放置滚珠14，滚珠14位于壳体11上的孔11-2内，同时滚珠14夹在保持架叶片16a之间，第二楔块15b在第一楔块15a下方，第二楔块15b侧面安装有液压顶紧环17，液压顶紧环17套在保持架16上。
所述的壳体11，由4块分壳体11a、11b、11c、11d通过径向螺栓18和轴向螺栓19连接成一体，第一分壳体11a上设有油孔11a-1，分壳体之间垫有径向垫片12和轴向垫片13。
参考图11，所述液压顶紧环17，包括顶出环17a，顶出环17a装在储油内腔17b中，储油内腔17b上设有进油口17b-1。
内部支撑架Ⅰ的工作原理为：通过分壳体11a上的油孔11a-1给液压顶紧环17中通入液压油，顶出环17a顶出，参照图9和图11，顶出环17a顶住第二楔块15b向左运动，使得第一楔块15a沿着壳体11的径向运动，第一楔块15a推动滚珠14沿着壳体11的径向运动，从而实现调节内部支撑架Ⅰ的外径大小的目的。

Claims (5)

1.一种台阶内孔大深径比轴的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)准备工件坯料：工件坯料长度是L-Δ，其中L是工件设计总长度值，Δ为锻造伸长量，取值范围2～3mm，车外圆，打顶尖孔，车两端基准外圆，两端倒角，得到工件(1)；
2)钻中间孔：将工件(1)装夹在深孔钻床上，沿工件(1)轴线方向均布两个支撑架(2)，然后钻中间孔，钻孔直径大于中间孔设计要求0.1～0.2mm，钻孔长度是L1’-Δ，其中L1’是设计要求的大孔与中间孔长度尺寸之和；
3)精镗中孔：然后将工件(1)装夹在镗床上精镗中间孔，经过精镗后中间孔直径大于设计要求0.3～0.6mm，直线度要求小于0.05mm，内孔表面粗糙度为1.6；
4)珩磨中孔：再将工件(1)装夹在珩磨机上进行珩磨，使中间孔尺寸精度达到IT6，圆柱度1～0.5，直线度1，粗糙度0.8～0.1；
5)推镗大孔：然后将内部支撑架(Ⅰ)固定在钻杆(3)上，确保内部支撑架(Ⅰ)处在中间孔内，镗刀(4)位于内部支撑架(Ⅰ)后面，后面为刀具相对于工件(1)运动方向的反方向，将工件(1)装夹在镗床上推镗大孔，大孔尺寸与设计要求一致；
6)钻小孔：再将内部支撑架(Ⅰ)固定在钻杆(3)上，确保内部支撑架(Ⅰ)处在中间孔内，钻头(5)位于内部支撑架(Ⅰ)前面，将工件(1)装夹在深孔钻床上钻小孔，小孔直径大于设计要求0.3mm～0.6mm；
7)旋锻整形：将工件(1)与组合芯轴(Ⅱ)进行装配后装夹在旋锻设备上，旋锻夹头(6)夹住工件(1)大端，旋锻锤头(7)径向打击工件(1)另一端，工件(1)内径缩小，贴紧组合芯轴(Ⅱ)，完成内孔整形；
8)机加外圆：将工件(1)与组合芯轴(Ⅱ)一起装夹在车床上进行外圆的车削加工，加工至设计要求尺寸；
9)抽出组合芯轴Ⅱ：先通过旋转加振动的方式抽出大端芯轴(8)，再用同样的方法抽出小端芯轴(10)，最后顶出中间芯轴(9)。
2.根据权利要求1所述的一种台阶内孔大深径比轴的加工工艺，其特征在于：所述的组合芯轴(Ⅱ)，包括大端芯轴(8)、中段芯轴(9)和小端芯轴(10)，三段芯轴通过锥面定位，通过螺纹连接，三段芯轴螺纹孔均采用反向螺纹，大端芯轴(8)尺寸与大孔设计尺寸相同；中段芯轴(9)长度是L1-Δ，其中L1是中间孔的设计长度，直径尺寸与设计尺寸相同；小端芯轴(10)长度是L2+δ，其中L2是小孔设计长度，δ为芯轴长度余量，取值范围10～20mm，直径尺寸与设计尺寸相同。
3.根据权利要求1所述的一种台阶内孔大深径比轴的加工工艺，其特征在于：所述的内部支撑架(Ⅰ)，包括保持架(16)，保持架(16)套在壳体内孔壁(11-1)上，保持架(16)装有三个以上的保持架叶片(16a)，保持架叶片(16a)内侧装有导轨(16b)，每一组楔块(15)装在保持架叶片(16a)之间，每一组楔块(15)中的第一楔块(15a)装在导轨(16b)上，第一楔块(15a)上放置滚珠(14)，滚珠(14)位于壳体(11)上的孔(11-2)内，同时滚珠(14)夹在保持架叶片(16a)之间，第二楔块(15b)在第一楔块(15a)下方，第二楔块(15b)侧面安装有液压顶紧环(17)，液压顶紧环(17)套在保持架(16)上。
4.根据权利要求3所述的一种台阶内孔大深径比轴的加工工艺，其特征在于：所述的壳体(11)，由4块分壳体(11a、11b、11c、11d)通过径向螺栓(18)和轴向螺栓(19)连接成一体，第一分壳体(11a)上设有油孔(11a-1)，分壳体之间垫有径向垫片(12)和轴向垫片(13)。
5.根据权利要求3所述的一种台阶内孔大深径比轴的加工工艺，其特征在于：所述液压顶紧环(17)，包括顶出环(17a)，顶出环(17a)装在储油内腔(17b)中，储油内腔(17b)上设有进油口(17b-1)。
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