CN110842487A - 一种精密活门轴的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械加工领域，具体涉及一种精密活门轴的加工方法。本发明的技术方案如下：一种精密活门轴的加工方法，加工工艺路线为：棒料→粗车外圆→粗车大端工艺台→精车外圆及端面槽→真空热处理→对研顶尖孔→磨大端面及工艺台→粗磨基准外圆和锥面→粗磨小端外圆→磨环形槽→磨大端倒角→磨四方→飞秒激光加工异型槽→对研顶尖孔→精磨小端外圆→精磨基准外圆和锥面→线切割小端工艺台→磨小端工艺台→线切割大端工艺台→电加工大端型槽→最终检验→磁力探伤。本发明通过设计合理的零件加工工艺路线、工艺方法，采用精密数控外圆磨削设备加工零件外圆和锥面以及采用飞秒激光加工设备加工精密异型槽的方式，解决零件加工的技术瓶颈，提高零件加工的合格率。
Description
技术领域
本发明属于机械加工领域，具体涉及一种精密活门轴的加工方法。
背景技术
航空发动机的精密活门轴结构见附图1，其长径比大于10，属于细长轴结构，大端外圆壁厚很薄，仅为1mm，在大端外圆上有四个均布的精密异型槽，零件的尺寸精度和形位公差精度要求很高，基准外圆
的尺寸精度为IT5级，圆柱度不大于0.004mm，锥面3为密封表面，锥面3相对于基准外圆
的圆跳动不大于0.008mm，小端外圆6相对于基准外圆的同轴度不大于φ0.02mm，环形槽 9侧面10相对于基准外圆
的垂直度不大于0.02mm，外圆及锥面的表面粗糙度值要求很低。精密异型槽总长为2mm，尺寸精度很高，角度公差为±15′，其相对于端面1的位置公差为±0.01mm，尺寸公差±0.02mm。加工工艺路线为：棒料→粗车外圆→精车大端外圆→精车小端及端面槽12→对研顶尖孔→粗磨外圆→电加工异型槽15→真空热处理→对研顶尖孔→磨大外圆2→磨基准外圆4和锥面3→磨环形槽9→磨小端外圆6→磨中间外圆8→磨大端倒角13→磨小端面7 →磨小端倒角→磨四方14→研磨基准外圆4和锥面3→研磨小端外圆6→最终检验→磁力探伤，采用普通的外圆磨床加工基准外圆
及锥面3，很难达到设计要求的尺寸精度和形位公差，采用普通的电火花成型加工异型槽15，电极加工难度很大，需要细丝电火花设备，且电火花加工的尺寸精度和位置精度很难保证，加工的零件合格率为0，一直是生产中的技术瓶颈。
发明内容
本发明提供一种精密活门轴的加工方法，通过设计合理的零件加工工艺路线、工艺方法，采用精密数控外圆磨削设备加工零件外圆和锥面以及采用飞秒激光加工设备加工精密异型槽的方式，解决零件加工的技术瓶颈，提高零件加工的合格率。
本发明的技术方案如下：
一种精密活门轴的加工方法，加工工艺路线为：棒料→粗车外圆→粗车大端工艺台→精车外圆及端面槽→真空热处理→对研顶尖孔→磨大端面及工艺台→粗磨基准外圆和锥面→粗磨小端外圆→磨环形槽→磨大端倒角→磨四方→飞秒激光加工异型槽→对研顶尖孔→精磨小端外圆→精磨基准外圆和锥面→线切割小端工艺台→磨小端工艺台→线切割大端工艺台→电加工大端型槽→最终检验→磁力探伤。
进一步地，所述的精密活门轴的加工方法，所述粗磨基准外圆和锥面工序中，将定位基准和测量基准转换为两端顶尖孔，后续一切表面的磨削皆采用同一基准，并将形位公差进行相应地转换，将基准外圆的圆柱度转换为相对于两顶尖孔的圆跳动，将锥面相对于基准外圆的圆跳动0.008mm转换为相对于两顶尖孔的圆跳动0.004mm，其形位公差的数值与基准外圆相对于两顶尖孔的圆跳动的数值之和为设计要求的0.008mm；采用斯图特S21精密数控外圆磨床，采用两顶尖装夹，为保证零件的尺寸精度和形位公差，采用白刚玉中1硬度、牌号为M10V300W、粒度100#的砂轮进行磨削，加工参数为：工件速度vw：16m/min,纵向进给量fa： 3.5mm/r，磨削深度ap：0.005mm/dst，加工时间5min/件，本工序给精磨基准外圆和锥面工序外圆单面留0.015mm的加工余量，形位公差采用偏摆仪进行测量。
进一步地，所述的精密活门轴的加工方法，所述粗磨小端外圆工序中，以两顶尖孔为基准，将小端外圆相对于基准外圆的同轴度0.02转换为小端外圆相对于两顶尖孔的圆跳动不大于0.01mm；采用斯图特S21精密数控外圆磨床，采用两顶尖装夹，为保证零件的尺寸精度和形位公差，采用白刚玉中1硬度、牌号为 M10V300W、粒度100#的砂轮进行磨削，加工参数为：工件速度vw：3m/min，纵向进给量fa：1.5mm/r，磨削深度ap：0.005mm/dst，形位公差采用偏摆仪进行测量。
进一步地，所述的精密活门轴的加工方法，所述飞秒激光加工异型槽工序中，在飞秒激光加工设备上配置测距传感器和CCD旁轴检测系统，采用夹具装夹零件，将夹具安放到设备转台上，夹具下面的四个螺钉与转台上的四个螺纹孔相配；以小端端面和小端外圆定位，夹紧小端外圆；设置对壁保护工艺件，防止激光加工放电的火花伤到零件内壁，对壁保护工艺件小端120°内锥面与零件端面槽内锥面贴合，小端顶到零件端面槽内锥面上，大端与夹具上端面贴合；对壁保护工艺件外圆上设有四个槽，用于排出激光加工过程中吹下来的气体及飞屑；所述测距传感器和CCD旁轴检测系统用于零件的找正和准确定位，以保证异型槽的轴向位置尺寸L5±0.01；飞秒激光采用沿轮廓分层加工的方式，加工参数：激光器的输出功率为95％，重复频率为100kHz；进给速度设置为15mm/min，单层进给量设置为0.01mm，扫描层数设置为120层；加工的锥度较小，在壁厚为1mm 的情况下，锥度在0.02mm以内；在加工中采用超景深显微镜进行测量，最后提交检验用复合三坐标进行测量，两者的测量误差在0.01mm以内。
进一步地，所述的精密活门轴的加工方法，所述夹具包括底座、定位台、定位块、支座和压紧杆，所述定位台固定设置在所述底座上，所述定位块固定设置在所述定位台的侧面且固定设置在所述底座的中心线上，两个所述支座固定设置在所述底座上且分别与所述定位台、定位块相对设置，两个所述压紧杆分别与两个所述支座螺接在一起，零件通过两个所述压紧杆紧固在所述定位台及定位块上。
进一步地，所述的精密活门轴的加工方法，所述精磨小端外圆工序中，精磨的加工余量为单面0.015mm，采用图特S21精密数控外圆磨床，以两顶尖孔定位，将小端外圆相对于基准外圆的同轴度0.02转换为小端外圆相对于两顶尖孔的圆跳动不大于0.01mm，采用白刚玉砂轮，粒度：100砂轮，加工参数为：工件速度 vw：3m/min，纵向进给量fa：1.0mm/r，磨削深度ap：0.002mm/dst，形位公差采用偏摆仪进行测量。
进一步地，所述的精密活门轴的加工方法，所述精磨基准外圆和锥面工序中，外圆和锥面的表面粗糙度为Ra0.2，外圆增加设计图要求的圆柱度不大于 0.004mm的要求，外圆相对于两顶尖孔的圆跳动压缩为0.002mm，单面加工余量为0.015mm，采用斯图特S21精密数控外圆磨床，以两顶尖孔定位，采用白刚玉砂轮，粒度：100砂轮，加工参数为：工件速度vw：15m/min，纵向进给量fa： 2.5mm/r，磨削深度ap：0.002mm/dst，外圆的圆柱度采用圆度仪进行测量。
本发明的有益效果为：本发明提供的精密活门轴的加工方法，通过设计合理的零件加工工艺路线、工艺方法，采用精密数控外圆磨削设备加工零件外圆和锥面以及采用飞秒激光加工设备加工精密异型槽的方式，解决零件加工的技术瓶颈，提高零件加工的合格率。
附图说明
图1为精密活门轴零件图；
图2为精密活门轴粗磨基准外圆和锥面工序图；
图3为精密活门轴粗磨小端外圆工序图；
图4为飞秒激光加工异型槽工序图；
图5为飞秒激光加工异型槽夹具主视图；
图6为飞秒激光加工异型槽夹具俯视图；
图7为图5中A-A面剖视图；
图8为对壁保护工艺件零件图；
图9为带对壁保护工艺件的飞秒激光夹具示意图；
图10为精密活门轴精磨基准外圆和锥面工序图。
具体实施方式
零件原来的加工工艺路线为：棒料→粗车外圆→精车大端外圆→精车小端及端面槽12→对研顶尖孔→粗磨外圆→电加工异型槽15→真空热处理→对研顶尖孔→磨大外圆2→磨基准外圆4和锥面3→磨环形槽9→磨小端外圆6→磨中间外圆 8→磨大端倒角13→磨小端面7→磨小端倒角→磨四方14→研磨基准外圆4和锥面 3→研磨小端外圆6→最终检验→磁力探伤。原工艺采用普通外圆磨床加工，基准外圆
和锥面3以及小端外圆6的尺寸精度和形位公差保证不了，采用紫铜的成型电极加工异型槽15，尺寸精度和位置精度保证不了。
本实施例采用精密数控外圆磨床，在零件热处理后采用粗磨和精磨两种方式加工基准外圆
和锥面3以及小端外圆6，将精密异型槽的加工移到粗磨后进行，将电加工异型槽改为飞秒激光加工异型槽；由于改进后的零件在两端不允许有工艺顶尖孔，故在零件两端增加工工艺凸台，待精磨后再去掉两端工艺台，为减小工艺台加工过程中零件的变形，采用线切割加工掉工艺台，由于锥面3和环形槽9 轴向的位置尺寸公差较小，为保证其尺寸公差，在粗磨基准外圆4和锥面3之前先磨大端面1及工艺台，优化后的零件加工工艺路线为：棒料→粗车外圆→粗车大端工艺台→精车外圆及端面槽12→真空热处理→对研顶尖孔→磨大端面1及工艺台→粗磨基准外圆4和锥面3→粗磨小端外圆6→磨环形槽9→磨大端倒角13→磨四方14→飞秒激光加工异型槽15→对研顶尖孔5→精磨小端外圆6→精磨基准外圆4和锥面3→线切割小端工艺台→磨小端工艺台→线切割大端工艺台→电加工大端型槽16→最终检验→磁力探伤。
粗磨基准外圆4和锥面3工序图见图2，由于零件两端不允许有顶尖孔，为保证零件各外圆表面、锥面和环形槽对基准外圆4的同轴度，将定位基准和测量基准转换为两端顶尖孔，后续一切表面的磨削皆采用同一基准——两端顶尖孔 A-B，并将形位公差进行相应地转换，如图2中
将基准外圆4的圆柱度转换为相对于两顶尖孔A-B的圆跳动，将锥面3相对于基准外圆4的圆跳动0.008mm 转换为相对于两顶尖孔A-B的圆跳动0.004mm，其形位公差的数值与基准外圆4 相对于两顶尖孔A-B的圆跳动的数值之和为设计要求的0.008mm。采用斯图特S21 精密数控外圆磨床，采用两顶尖装夹，为保证零件的尺寸精度和形位公差，采用白刚玉中1硬度、牌号为M10V300W、粒度100#的砂轮进行磨削，加工参数为：工件速度vw：16m/min,纵向进给量fa：3.5mm/r，磨削深度ap：0.005mm/dst，加工时间5min/件，本工序给精磨基准外圆4和锥面3工序外圆单面留0.015mm 的加工余量，形位公差采用偏摆仪进行测量。
粗磨小端外圆6工序图见图3，以两顶尖孔A-B为基准，将小端外圆6相对于基准外圆4的同轴度0.02转换为小端外圆6相对于两顶尖孔A-B的圆跳动不大于0.01mm，因基准外圆4相对于两顶尖孔A-B的圆跳动0.004mm，故需要压缩一部分公差。采用斯图特S21精密数控外圆磨床，采用两顶尖装夹，为保证零件的尺寸精度和形位公差，采用白刚玉中1硬度、牌号为M10V300W、粒度100#的砂轮进行磨削，加工参数为：工件速度vw：3m/min，纵向进给量fa：1.5mm/r，磨削深度ap：0.005mm/dst，形位公差采用偏摆仪进行测量。
飞秒激光加工异型槽15工序图见图4，采用飞秒激光加工设备，异型槽的形状通过数控加工程序保证，在设备上配置测距传感器和CCD旁轴检测系统，采用专用夹具，见图5～7，将夹具安放到设备转台上，夹具下面的四个螺钉26与转台上的四个螺纹孔相配。所述夹具包括底座21、定位台22、定位块23、支座24和压紧杆25，所述定位台22固定设置在所述底座21上，所述定位块23固定设置在所述定位台22的侧面且固定设置在所述底座21的中心线上，两个所述支座24固定设置在所述底座21上且分别与所述定位台22、定位块23相对设置，两个所述压紧杆25 分别与两个所述支座24螺接在一起，零件27通过两个所述压紧杆25紧固在所述定位台22及定位块23上。
以小端端面和小端外圆
定位，角向夹紧小端外圆
由于基准外圆4上的异型槽15与端面槽12相贯通，与内壁的最小间隙为1mm，激光加工放电的火花容易伤到零件内壁，为此，工艺上设计了对壁保护工艺件28，如图8，对壁保护工艺件28小端120°内锥面与零件端面槽12内锥面贴合，小端顶到零件端面槽内锥面上，大端与夹具上端面H贴合，外圆上的四个槽是为了排出激光加工过程中吹下来的气体及飞屑，详见图9。由于对壁保护工艺件28相对于零件被加工的异型槽有效厚度在0.7mm左右，为有效利用对壁保护工艺件28，每加工完一个零件，就将对壁保护工艺件28沿周向旋转一个角度再加工另一个零件，这样每个对壁保护工艺件28可以加工四个零件。
设备上的测距传感器和CCD旁轴检测系统可用于零件的找正和准确定位，所以异型槽的轴向位置尺寸L5±0.01就是通过这个装置实现的。电火花成型加工由于电极尖点烧蚀较快，很难保证该位置尺寸。飞秒激光采用沿轮廓分层加工的方式，加工参数：激光器的输出功率为95％，重复频率为100kHz；进给速度设置为 15mm/min，单层进给量设置为0.01mm，扫描层数设置为120层。加工的锥度较小，在壁厚为1mm的情况下，锥度在0.02mm以内。
精密异型槽小而精，采用工具显微镜无法实现锐角转接R0.05max和钝角转接R0.1max的要求，在加工中采用超景深显微镜进行测量，最后提交检验用复合三坐标进行测量，两者的测量误差在0.01mm以内，通过系统补偿，工序中用超景深显微镜进行测量能满足零件测量精度的要求。
由于小端外圆的表面粗糙度为Ra0.2，故需要采用精磨实现，精磨的加工余量为单面0.015mm，采用图特S21精密数控外圆磨床，以两顶尖孔定位，其它技术要求同粗磨小端外圆6工序，采用白刚玉砂轮，粒度：100砂轮，加工参数为：工件速度vw：3m/min，纵向进给量fa：1.0mm/r，磨削深度ap：0.002mm/dst，工序图参见图3，代替原工艺的研磨，除表面粗糙度和外圆尺寸外，其余同图3 内容。
精磨基准外圆4和锥面3工序见图10，外圆4和锥面3的表面粗糙度为Ra0.2，外圆4增加设计图要求的圆柱度不大于0.004mm的要求，外圆4相对于两顶尖孔A-B的圆跳动压缩为0.002mm，单面加工余量为0.015mm，采用斯图特S21精密数控外圆磨床，以两顶尖孔定位，采用白刚玉砂轮，粒度：100砂轮，加工参数为：工件速度vw：15m/min，纵向进给量fa：2.5mm/r，磨削深度ap： 0.002mm/dst，代替原工艺的研磨，采用精磨，加工出的零件表面的形位公差比研磨的好，外圆的圆柱度采用圆度仪进行测量。
由于零件在粗、精磨削时皆采用两端顶尖孔定位，故零件表面的形位公差皆采用偏摆仪测量。但在零件精加工后，两端的工艺台需要加工掉，如图1所示，零件的形位公差只能采用圆度仪进行测量。
采用上述加工工艺，通过小批量生产验证，零件的尺寸精度、形位公差和表面粗糙度达到了设计要求，零件的合格率由原来的0提高到70％以上，解决了零件加工的技术瓶颈。
Claims (7)
1.一种精密活门轴的加工方法，其特征在于，加工工艺路线为：棒料→粗车外圆→粗车大端工艺台→精车外圆及端面槽→真空热处理→对研顶尖孔→磨大端面及工艺台→粗磨基准外圆和锥面→粗磨小端外圆→磨环形槽→磨大端倒角→磨四方→飞秒激光加工异型槽→对研顶尖孔→精磨小端外圆→精磨基准外圆和锥面→线切割小端工艺台→磨小端工艺台→线切割大端工艺台→电加工大端型槽→最终检验→磁力探伤。
2.根据权利要求1所述的精密活门轴的加工方法，其特征在于，所述粗磨基准外圆和锥面工序中，将定位基准和测量基准转换为两端顶尖孔，后续一切表面的磨削皆采用同一基准，并将形位公差进行相应地转换，将基准外圆的圆柱度转换为相对于两顶尖孔的圆跳动，将锥面相对于基准外圆的圆跳动0.008mm转换为相对于两顶尖孔的圆跳动0.004mm，其形位公差的数值与基准外圆相对于两顶尖孔的圆跳动的数值之和为设计要求的0.008mm；采用斯图特S21精密数控外圆磨床，采用两顶尖装夹，为保证零件的尺寸精度和形位公差，采用白刚玉中1硬度、牌号为M10V300W、粒度100#的砂轮进行磨削，加工参数为：工件速度vw：16m/min,纵向进给量fa：3.5mm/r，磨削深度ap：0.005mm/dst，加工时间5min/件，本工序给精磨基准外圆和锥面工序外圆单面留0.015mm的加工余量，形位公差采用偏摆仪进行测量。
3.根据权利要求1所述的精密活门轴的加工方法，其特征在于，所述粗磨小端外圆工序中，以两顶尖孔为基准，将小端外圆相对于基准外圆的同轴度0.02转换为小端外圆相对于两顶尖孔的圆跳动不大于0.01mm；采用斯图特S21精密数控外圆磨床，采用两顶尖装夹，为保证零件的尺寸精度和形位公差，采用白刚玉中1硬度、牌号为M10V300W、粒度100#的砂轮进行磨削，加工参数为：工件速度vw：3m/min，纵向进给量fa：1.5mm/r，磨削深度ap：0.005mm/dst，形位公差采用偏摆仪进行测量。
4.根据权利要求1所述的精密活门轴的加工方法，其特征在于，所述飞秒激光加工异型槽工序中，在飞秒激光加工设备上配置测距传感器和CCD旁轴检测系统，采用夹具装夹零件，将夹具安放到设备转台上，夹具下面的四个螺钉与转台上的四个螺纹孔相配；以小端端面和小端外圆定位，夹紧小端外圆；设置对壁保护工艺件，防止激光加工放电的火花伤到零件内壁，对壁保护工艺件小端120°内锥面与零件端面槽内锥面贴合，小端顶到零件端面槽内锥面上，大端与夹具上端面贴合；对壁保护工艺件外圆上设有四个槽，用于排出激光加工过程中吹下来的气体及飞屑；所述测距传感器和CCD旁轴检测系统用于零件的找正和准确定位，以保证异型槽的轴向位置尺寸L5±0.01；飞秒激光采用沿轮廓分层加工的方式，加工参数：激光器的输出功率为95％，重复频率为100kHz；进给速度设置为15mm/min，单层进给量设置为0.01mm，扫描层数设置为120层；加工的锥度较小，在壁厚为1mm的情况下，锥度在0.02mm以内；在加工中采用超景深显微镜进行测量，最后提交检验用复合三坐标进行测量，两者的测量误差在0.01mm以内。
5.根据权利要求4所述的精密活门轴的加工方法，其特征在于，所述夹具包括底座、定位台、定位块、支座和压紧杆，所述定位台固定设置在所述底座上，所述定位块固定设置在所述定位台的侧面且固定设置在所述底座的中心线上，两个所述支座固定设置在所述底座上且分别与所述定位台、定位块相对设置，两个所述压紧杆分别与两个所述支座螺接在一起，零件通过两个所述压紧杆紧固在所述定位台及定位块上。
6.根据权利要求1所述的精密活门轴的加工方法，其特征在于，所述精磨小端外圆工序中，精磨的加工余量为单面0.015mm，采用图特S21精密数控外圆磨床，以两顶尖孔定位，将小端外圆相对于基准外圆的同轴度0.02转换为小端外圆相对于两顶尖孔的圆跳动不大于0.01mm，采用白刚玉砂轮，粒度：100砂轮，加工参数为：工件速度vw：3m/min，纵向进给量fa：1.0mm/r，磨削深度ap：0.002mm/dst，形位公差采用偏摆仪进行测量。
7.根据权利要求1所述的精密活门轴的加工方法，其特征在于，所述精磨基准外圆和锥面工序中，外圆和锥面的表面粗糙度为Ra0.2，外圆增加设计图要求的圆柱度不大于0.004mm的要求，外圆相对于两顶尖孔的圆跳动压缩为0.002mm，单面加工余量为0.015mm，采用斯图特S21精密数控外圆磨床，以两顶尖孔定位，采用白刚玉砂轮，粒度：100砂轮，加工参数为：工件速度vw：15m/min，纵向进给量fa：2.5mm/r，磨削深度ap：0.002mm/dst，外圆的圆柱度采用圆度仪进行测量。
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