CN110091127A - 一种薄壁细长管件整体精密加工方法 - Google Patents
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Classifications
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
- B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
Abstract
本发明提供一种薄壁细长管件整体精密加工方法，包括如下步骤：S1、下料；S2、热加工；S3、粗车端面及外圆；S4、钻、镗内孔；S5、珩磨内孔；S6、半精车、精车外圆；S7、精磨外圆；S8、微挤压校形；S9、精车端面；S10、检验及包装。本发明可以实现奥氏体不锈钢材料、最大长度575mm、最小管径24mm、最大长径比24、最薄壁厚0.3mm的薄壁细长管件整体精密加工，内孔、外圆精度达到IT5级，同轴度达到0.025mm，直线度达到0.025mm，表面粗糙度达到Ra0.8，是一种高效、精密、低成本的薄壁细长管件加工方法。
Description
技术领域
本发明涉及机械制造技术领域，特别涉及一种薄壁细长管件整体精密加工方法。
背景技术
薄壁细长管类零件由于长径比大，属于典型弱刚性零件，加工过程易变形和产生切削颤振，加工尺寸精度和直线度指标控制难度大；细长管内孔属于深长孔，加工空间受限，采用传统钻削方法冷却润滑、排屑断屑困难，热量容易聚集，故刀具磨损剧烈，而且高温导致零件发生热胀变形，影响加工尺寸精度；此外，薄壁特征的存在进一步降低了零件的刚性，提高了零件的装夹难度，而且壁厚的控制一般通过内孔和外圆尺寸间接获得，在加工过程中既要控制内孔、外圆尺寸公差，又要间接保证壁厚公差，给工艺设计和零件加工提出了较大的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种薄壁细长管件整体精密加工方法，从工艺流程设计、装夹方式设计、加工刀具优化、加工余量控制等方面，解决弱刚性零件变形控制、深长孔精密加工、薄壁公差尺寸控制等问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是，提供一种薄壁细长管件整体精密加工方法，包括如下步骤：
S1、下料；
S2、热加工；
S3、粗车端面及外圆；
S4、钻、镗内孔；
S5、珩磨内孔；
S6、半精车、精车外圆；
S7、精磨外圆；
S8、微挤压校形；
S9、精车端面；
S10、检验及包装。
进一步的，所述步骤S4中，钻、镗内孔包括：
S4-1、加工导引孔：
外圆使用V形块装夹，钻、铰加工导引孔，导引孔深度为3倍孔径；
S4-2、加工深长孔：
使用硬质合金深孔枪钻加工深长孔，使用扩孔钻扩深长孔，扩孔后余量1.2mm；使用内孔镗刀镗孔，镗孔后余量0.2mm。
进一步的，所述步骤S5中：
外圆使用弹簧变径套装夹，采用立式珩磨机粗珩、精珩内孔至尺寸，公差预留0.04～0.07mm余量。
进一步的，所述步骤S6中：
内圆使用机械式芯轴装夹，采用精密数控车削中心半精车、精车外圆，半精车使用刀尖圆角为0.2mm的菱形可转位刀片，精车使用非标防震颤专用外圆车刀，精车后余量0.1mm。
进一步的，所述步骤S7中：
内圆使用机械式芯轴装夹，采用外圆精密磨床磨削外圆至尺寸，保证壁厚尺寸精度和壁厚公差。
进一步的，所述步骤S8中：
使用微挤压工艺校正外圆直线度和内外圆同轴度，对薄壁细长管件的材料进行缩口整形推力计算，确定功率需求。
进一步的，所述步骤S9中：
内圆使用机械式芯轴装夹，采用精密数控车削中心车削两端面至尺寸，保证端面与内圆轴线垂直度。
进一步的，薄壁细长管件采用的材料为321H不锈钢。
本发明提供的薄壁细长管件整体精密加工方法，整体工艺路线以外圆为粗基准加工内孔，以内孔为精基准加工外圆，以保证加工尺寸精度和表面质量，然后利用微挤压校形工艺校正外圆直线度和内外圆同轴度，最后精密车削两端面以保证长度尺寸精度和端面垂直度，可以实现奥氏体不锈钢材料、最大长度575mm、最小管径24mm、最大长径比24、最薄壁厚0.3mm的薄壁细长管件整体精密加工，内孔、外圆精度达到IT5级，同轴度达到0.025mm，直线度达到0.025mm，表面粗糙度达到Ra0.8，是一种高效、精密、低成本的薄壁细长管件加工方法。
工具方面，使用深孔枪钻钻削深长孔，使用电镀高精度珩铰刀珩磨内孔，使用专用非标防震颤外圆车刀精车外圆，使用非标微挤压校形工装校正外圆；
基准和装夹方面，以外圆为基准加工内孔，然后以内孔为基准加工外圆，保证了基准统一和互为基准原则，并使用弹簧变径套和机械式芯轴进行装夹，提高了装夹精度；
工艺流程方面，内孔通过钻、扩、镗、粗珩、精珩加工，外圆通过粗车、半精车、精车、精磨加工，内孔外圆加工完成后，通过微挤压校形校正直线度和同轴度，两端面最后加工；
加工设备方面，使用数控车床、深孔加工机床、立式珩磨机、数控精密车床、外圆精密磨床等。
基于以上方法，解决了薄壁细长管件深长内孔精密加工、弱刚性薄壁装夹变形控制、微挤压校形工艺等技术难题，为类似结构特征零件的精密加工提供了一种解决方法和思路。
附图说明
下面结合附图对发明作进一步说明：
图1为本发明实施例提供的薄壁细长管整体精密加工工艺流程示意图；
图2为本发明实施例提供的薄壁细长管深长孔精密加工工序流程示意图；
图3为本发明实施例提供的薄壁细长管微挤压校形工艺示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的薄壁细长管件整体精密加工方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于，本发明提供的薄壁细长管件整体精密加工方法，整体工艺路线以外圆为粗基准加工内孔，以内孔为精基准加工外圆，以保证加工尺寸精度和表面质量，然后利用微挤压校形工艺校正外圆直线度和内外圆同轴度，最后精密车削两端面以保证长度尺寸精度和端面垂直度，可以实现奥氏体不锈钢材料、最大长度575mm、最小管径24mm、最大长径比24、最薄壁厚0.3mm的薄壁细长管件整体精密加工，内孔、外圆精度达到IT5级，同轴度达到0.025mm，直线度达到0.025mm，表面粗糙度达到Ra0.8，是一种高效、精密、低成本的薄壁细长管件加工方法。
图1为本发明实施例提供的薄壁细长管件整体精密加工方法的步骤流程示意图。参照图1，提供一种薄壁细长管件整体精密加工方法，包括以下步骤：
10.下料；
20.热处理；
30.粗车端面及外圆；
40.钻、镗内孔；
50.珩磨内孔；
60.半精车、精车外圆；
70.精磨外圆；
80.微挤压校形；
90.精车端面；
10.检验和包装。
在本发明实施例中，在30中，粗车两端面，加工顶尖孔，然后粗车外圆，尺寸精度IT7级，为后续加工提供基准。在40中，钻、铰加工导引孔，导引孔深度为3倍孔径，然后使用硬质合金深孔枪钻加工深长孔，使用扩孔钻扩深长孔，最后使用内孔镗刀镗孔，镗孔精度IT8级，保证镗孔直线度和圆度。在50中，使用外圆弹簧变径套装夹，使用立式珩磨机粗珩、精珩内孔至尺寸，内孔尺寸达到精度IT5级。在60中，使用精密数控车削中心半精车、精车外圆，半精车使用刀尖圆角为0.2mm的菱形可转位刀片，精车使用非标防震颤专用外圆车刀，尺寸精度达到IT6级。在70中，使用内圆机械式芯轴装夹，使用外圆精密磨床磨削外圆至尺寸，保证壁厚尺寸精度和壁厚公差。在80中，使用微挤压工艺校正外圆直线度和内外圆同轴度，对薄壁细长管件的材料321H不锈钢进行缩口整形推力计算，确定功率需求，设计了专用的微挤压校形工装。
图2为本发明实施例中对于高精内孔的加工工艺方法。参照图2，41使用硬质合金标准钻头加工导引孔，42使用铰刀扩导引孔，导引孔深度为3倍孔径，43使用非标专用枪钻加工深长孔，44使用扩孔钻扩孔，45使用镗孔刀镗内孔，镗孔精度达到IT8级，保证直线度和内孔圆度，镗孔后余量0.2mm，使用卧式深孔加工机床，锥柄选用液压锥柄。51使用高精带锥度电镀珩铰刀粗珩内孔，52使用高精不带锥度电镀珩铰刀精珩内孔，加工精度IT5级，保证内孔直线度和表面质量，使用立式珩磨机设备。
图3为本发明实施例中微挤压校形工艺示意图。参照图3，微挤压校形工艺需使用数控精密车床31、机械式芯轴和工件32、微挤压校形工装33。
实施例
在本发明实施例中，薄壁细长管内径Φ23.8+0.05 0mm，外径Φ24.4mm，壁厚0.3+0.03 0mm，长度575.5+0.05 0mm，外圆直线度0.025mm，内外圆同轴度0.025mm，两端面与内圆轴线垂直度0.05mm，零件材料为奥氏体不锈钢，要求加工内、外表面不得有刻痕、刮伤、凹穴等缺陷，不允许拼接。具体的工艺流程如下：
1)下料
毛坯材料采用棒材，直径Φ35mm，长度605mm。
2)热处理
固溶热处理温度1050℃±10℃，保温时间1h，水冷。
3)粗车端面与外圆
①粗车两端面，保证棒料长度600+0.5 0mm，加工两端顶尖孔，加工机床可以选用数控车床；
②两端装夹，粗车外圆，保证外圆直径Φ32.4mm，精度IT7级，直线度0.025mm，加工表面粗糙度Ra3.2，加工机床可以选用数控车床，加工刀具选用刀尖圆角为0.4mm的菱形可转位刀片。
4)钻、镗内孔
①外圆装夹，钻削加工底孔，加工孔径至Φ22.6mm，对于此类深孔加工，采用钻孔与扩孔的组合加工方式，节省成本。钻削深孔加工过程的主要步骤包括：钻削和铰削加工深孔的导引孔，导引孔孔深为3倍的底孔直径；钻削加工深孔，对深孔进行扩孔；
②外圆装夹，镗削底孔，加工孔径至Φ23.6mm，精度IT8级，加工直线度与圆度0.05mm。
钻、镗削加工底孔可采用卧式五轴加工中心，加工刀具主要包括引导钻、引导铰刀、深孔枪钻、扩孔钻和镗刀等，加工刀柄选用高精液压式刀柄。
5)珩磨内孔
外圆装夹，粗珩和精珩磨削加工底孔，加工孔径至Φ23.8-0.02-0.04mm(充分考虑误差补偿因素)，精度IT5级，保证内孔直线度≤0.015mm，加工内孔表面无刻痕、刮伤、凹穴等缺陷。
粗珩和精珩磨削加工底孔采用立式珩磨机，加工工具系统采用带锥度与不带锥度的高精电镀珩铰刀。
6)半精车、精车外圆
①内圆装夹，半精车外圆，加工尺寸至Φ25.3mm，精度IT7级，直线度0.02mm，加工表面粗糙度Ra1.6；
②内圆装夹，精车外圆，加工尺寸至Φ24.5mm，精度IT6级，直线度0.015mm，加工表面粗糙度Ra1.6。
精车外圆与精车外圆可以选用精密数控车削中心，加工刀具可以选用刀尖圆角为0.2mm的菱形可转位刀片与定制非标刀片。因薄壁细长管件加工过程中刚性极弱，最后精加工阶段需要采用定制非标刀片，刀具的设计依据已有专利《一种加工薄壁零件防震颤的外圆车刀》。
半精车外圆与精车外圆选用机械式芯轴装夹工件，保证芯轴外圆径向跳动0.015mm以内。
7)外圆磨削
内圆装夹，采用机械式芯轴，精磨外圆，加工外圆尺寸至Φ24.4+0.07+0.05mm，精度IT5级，直线度0.01mm，加工表面粗糙度Ra0.8，保证管件内外壁壁厚0.3+0.03 0mm，加工表面无刻痕、刮伤、凹穴等缺陷。外圆磨削选用高精磨床。
8)微挤压校形
内圆装夹，采用机械式芯轴，通过微挤压校形，保证管件外圆的直线度要求≤0.025mm，管件内圆与外圆同轴度要求≤0.025mm。
为了实现微挤压校形，需要对薄壁细长管件的材料321H不锈钢进行缩口整形推力计算，确定功率需求，设计了专用的微挤压校形工装。
9)精车端面
内圆装夹，精车两端面，保证管件侧壁端面与管件内圆轴线的垂直度要求≤0.05mm，管件长度加工至575.5+0.05 0mm，加工机床选用精密数控车削中心。
10)检验
分别在工件自由状态、芯轴安装状态，对工件的内外径、壁厚和形位公差精度进行检验。检验方法如下：
①薄壁细长管件加工后内径检测方法：利用内径千分尺分别测量距离管件一端垂直端面10mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm、590mm处的内径，内径千分尺精度0.005mm。
②薄壁细长管件加工后外径检测方法：利用螺旋千分尺测量，分别测量距离管件一端垂直端面10mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm、590mm处的外径，螺旋千分尺精度0.01mm。
③根据测量获得的薄壁管件加工后外径与内径检测结果值，计算薄壁管件中距离管件一端垂直端面10mm、50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm、590mm处的壁厚。
④薄壁细长管件的长度测量采用游标卡尺，测量精度0.01mm。
⑤薄壁细长管件的加工形位精度采用三坐标测量仪测量，包括垂直度、直线度和同轴度。
⑥垂直度测量方法：将管件水平放置于0级测量平台上，使用直角尺和塞尺(最小0.01mm)测量端面相对于管件母线的垂直度，均布测量4个位置取最大值作为端面相对于母线的垂直度。
⑦直线度测量方法：
测量外圆直线度，首先将管件放置于0级测量平台，转动管件找到管件因变形存在的最大挠度位置，标记最大挠度位置。
将管件放置于三坐标测量机上，将管件调整至基本与三坐标X平行，以标记位置为起始点，建立管件轴线坐标系，按照角度90度为分度值，使用三坐标测量仪对管件外圆360度测量4条母线直线度，从而找出管件外圆的最大直线度数值和最小直线度数值。
⑧同轴度测量方法：
测量内圆轴线母线：因内腔长大于500mm，需使用长测头模块，对长侧头模块进行校验；将管件放置于校正后的工装台面，分别按照10mm的间距从管件一端测至另外一端，每个测量位置对内圆的圆度进行测量，获得内圆的轴线分布。
测量外圆轴线母线：将管件放置于校正后的工装台面，分别按照10mm的间距从管件一端测至另外一端，每个测量位置对外圆的圆度进行测量，获得外圆的轴线分布。
对内外圆的轴线进行计算分析，得到内外圆的同轴度。
11)包装
对管件内圆与外圆防护处理，包装，中转。包装分为两步：单根包装，管件的内圆与外圆均需要附件填充物，以保证管件运输途中不被挤压变形；整箱包装，在单根包装基础上，以30根管件为一组，采用整箱包装的方式实现转运过程的运输与防护。
通过采用本方法实现的薄壁细长管精密加工工艺，在奥氏体不锈钢材料薄壁管零件的实际加工中得到了应用，零件的尺寸精度、形位公差、表面质量要求等得到了有效保证，经过检验后各项指标满足设计要求。通过本方法，解决了长径比达24的深长孔精密加工难题，采用钻、扩、镗、磨复合工艺，内孔精度达到IT5级，直线度≤0.015mm；解决了弱刚性薄壁管件装夹精度控制难题，外圆装夹采用弹簧变径套，内圆装夹采用机械式芯轴；采用微挤压校形工艺，设计了专用的校形工装，实现了大长径比薄壁管件的高精度校形加工，薄壁管直线度、内外圆同轴度达到0.025mm。在解决了以上关键工艺技术难题基础上，本方法为实现薄壁管件的整体精密加工提供了一种解决方法和思路。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。
Claims (8)
1.一种薄壁细长管件整体精密加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、下料；
S2、热加工；
S3、粗车端面及外圆；
S4、钻、镗内孔；
S5、珩磨内孔；
S6、半精车、精车外圆；
S7、精磨外圆；
S8、微挤压校形；
S9、精车端面；
S10、检验及包装。
2.如权利要求1所述的薄壁细长管件整体精密加工方法，其特征在于，所述步骤S4中，钻、镗内孔包括：
S4-1、加工导引孔：
外圆使用V形块装夹，钻、铰加工导引孔，导引孔深度为3倍孔径；
S4-2、加工深长孔：
使用硬质合金深孔枪钻加工深长孔，使用扩孔钻扩深长孔，扩孔后余量1.2mm；使用内孔镗刀镗孔，镗孔后余量0.2mm。
3.如权利要求1所述的薄壁细长管件整体精密加工方法，其特征在于，所述步骤S5中：
外圆使用弹簧变径套装夹，采用立式珩磨机粗珩、精珩内孔至尺寸，公差预留0.04～0.07mm余量。
4.如权利要求1所述的薄壁细长管件整体精密加工方法，其特征在于，所述步骤S6中：
内圆使用机械式芯轴装夹，采用精密数控车削中心半精车、精车外圆，半精车使用刀尖圆角为0.2mm的菱形可转位刀片，精车使用非标防震颤专用外圆车刀，精车后余量0.1mm。
5.如权利要求1所述的薄壁细长管件整体精密加工方法，其特征在于，所述步骤S7中：
内圆使用机械式芯轴装夹，采用外圆精密磨床磨削外圆至尺寸，保证壁厚尺寸精度和壁厚公差。
6.如权利要求1所述的薄壁细长管件整体精密加工方法，其特征在于，所述步骤S8中：
使用微挤压工艺校正外圆直线度和内外圆同轴度，对薄壁细长管件的材料进行缩口整形推力计算，确定功率需求。
7.如权利要求1所述的薄壁细长管件整体精密加工方法，其特征在于，所述步骤S9中：
内圆使用机械式芯轴装夹，采用精密数控车削中心车削两端面至尺寸，保证端面与内圆轴线垂直度。
8.如权利要求1到7中任一项所述的薄壁细长管件整体精密加工方法，其特征在于，薄壁细长管件采用的材料为321H不锈钢。
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