張向東,王 輝,裴宇飛,王文強

(中航沈陽航空零部件制造有限公司,沈陽110043)

0 引言

鎖緊塊在航空發(fā)動機內(nèi)主要起到葉片的鎖緊作用,需經(jīng)常拆卸,更換比較頻繁,且多機型的發(fā)動機均需要此結(jié)構(gòu)零件,因此鎖緊塊的需求數(shù)量非常大。作為鎖緊塊的生產(chǎn)制造部門,在以往的生產(chǎn)模式下承擔了非常大的生產(chǎn)壓力。隨著需求數(shù)量的增大,供需矛盾更顯突出。

鎖緊塊中螺紋傳統(tǒng)的加工方法是車螺紋底孔、車端面、攻螺紋。絲錐在加工零件時,絲錐時常被“咬死”、蹦刃和折斷,甚至有時候絲錐根本加工不動零件。最順利時一個絲錐可加工2～3個零件 ,遠遠滿足不了生產(chǎn)需求。為了保證發(fā)動機裝配需求,不得不以高昂的刀具消耗和低效率的手工操作來滿足生產(chǎn),不僅加工效率非常低,而且加工成本也極高。

為了解決現(xiàn)場加工過程中遇到的困難,摸索出了可行、高效的零件加工方法,為工廠解決了亟待攻克的技術難題。

1 原因分析

針對零件加工螺紋過程中出現(xiàn)的絲錐被“咬死”、蹦刃和折斷等現(xiàn)象,經(jīng)過工藝分析和現(xiàn)場實際加工過程跟蹤調(diào)查,發(fā)現(xiàn)這一問題產(chǎn)生的主要原因有如下幾方面。

1.1 零件材料因素

零件材料是鑄造的K141合金,是鑄造高溫合金材料,其加工性能差,對刀具的要求比較高。

1.2 零件結(jié)構(gòu)尺寸因素

零件螺紋規(guī)格為M4×0.5-6G的細牙螺紋。螺距為0.5 mm(見圖1),所以加工絲錐的直徑也非常小,絲錐的強度不高。當這種絲錐在加工這種高溫合金材料時,絲錐極易被零件螺紋“咬住”。

圖1 零件UG模型示意圖

1.3 絲錐磨損因素

絲錐在加工零件時,避免不了會有一定程度的磨損。這個磨損量是由被加工零件材料和刃具材料以及加工參數(shù)共同決定的。而絲錐在攻制螺紋時,必須有足夠的扭力,在某些特殊材料或高硬度材料上攻制螺紋時,絲錐是無法承受要完成螺紋加工所施加的扭力的,尤其是在這種高溫合金材料上,絲錐極易磨損。一旦絲錐稍有磨損,攻制螺紋時的扭力也急劇增大,這也更加快了絲錐的磨損,如此惡性循環(huán),最終將導致絲錐的折斷。

2 方案實施過程

針對加工中出現(xiàn)的問題,初步制定了3方面的突破方案:(1)選擇優(yōu)質(zhì)的刀具材料;(2)改手工攻絲為振動攻絲;(3)數(shù)控銑削螺紋。

2.1 絲錐材料選擇

對于小孔螺紋加工,我們以往最直接有效的加工方法是絲錐加工,絲錐材料為國產(chǎn)高速鋼。面對像高溫合金這種難加工材料的螺紋加工時,我們通過國外刀具商提供的各種優(yōu)質(zhì)材料的絲錐進行加工試驗。

如廠家1提供的硬質(zhì)合金帶涂層的絲錐和螺旋式絲錐、廠家2提供的粉末冶金絲錐,經(jīng)過實際加工試驗,絲錐加工的方法效果并不理想。加工合格零件數(shù)量都在個位數(shù)以內(nèi)(如圖2所示)。

圖2 絲錐與加工零件數(shù)量對照表

經(jīng)過幾次絲錐試加工,效果都不是很理想。刀具商的絲錐和加工的絲錐材料是一換再換,都沒有達到攻關和生產(chǎn)實際的要求。

2.2 振動攻絲機

普通絲錐在面對高溫合金材料時,常會出現(xiàn)因攻絲扭矩大,絲錐被“咬死”、蹦刃和折斷現(xiàn)象。即使采用螺旋式的絲錐或者是跳牙的絲錐,加工效果也不理想。既然傳統(tǒng)加工方式已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)需要,那就需要突破、創(chuàng)新的方法進行加工。振動攻絲機就是在這時候進入到我們的研究范圍。

振動攻絲是一種先進、實用的工藝方法,它利用專門設置的振動源,一定的振幅、頻率,人為地使刀具相對于工件產(chǎn)生某種可控的振動,使整個攻絲過程連續(xù)有規(guī)律,而切削區(qū)近似間斷的加工,它改變了傳統(tǒng)加工方式中刀具與工件的相對運動關系和作用性質(zhì),改變了傳統(tǒng)切削用量使用方式,改變了切削機理,改善了刀具與材料瞬間接觸狀況和切屑形成條件,形成了一種優(yōu)化的切削方法?？梢院芎玫亟鉀Q絲錐加工不動零件的難題。

在經(jīng)過生產(chǎn)方面的加工試驗后,我們發(fā)現(xiàn)振動攻絲能夠克服絲錐加工不動零件這一難題。緩解了絲錐的磨損程度,降低了絲錐的消耗。相同的絲錐,用振動攻絲所加工出零件數(shù)量是以前的2倍。

振動攻絲在加工難加工材料方面有著優(yōu)異的表現(xiàn),但是在加工效率方面,仍然有不足之處。振動攻絲的脈沖式加工的加工時間會比以往傳統(tǒng)的加工方式時間長(如圖3所示)。

圖3 單件加工時間統(tǒng)計表

振動攻絲雖然解決了攻制螺紋不動難題,但是加工時間卻比以前延長了1倍左右。加工效率并不能夠滿足現(xiàn)場加工需求。

在絲錐加工方式無果后,我們此時引進了新的加工方式——數(shù)控加工。

2.3 銑削螺紋

隨著數(shù)控機床在機械加工行業(yè)的廣泛應用,細小螺紋數(shù)控銑削方法具有設備應用的可行性,并且螺紋底孔、攻絲、銑平面工序合并在一道工序中進行,不但節(jié)省輔助時間,還可以保證螺紋的位置精度。

2.3.1 螺紋銑削過程

螺紋銑削是借助數(shù)控機床的三軸聯(lián)動功能及G02或G03螺旋插補指令,完成螺紋銑削的過程。

圖4 螺紋銑削過程示意圖

從圖4中,我們可以看出螺紋銑削加工過程是數(shù)控機床三軸聯(lián)動銑削的過程。通過數(shù)控程序的調(diào)整,螺紋銑削有著廣闊的加工范圍。

圖5 螺紋銑削編程計算示意圖

圖6 MTECS 06024C9 0.5TSO螺紋銑刀

2.3.2 銑削零件試驗

在銑削螺紋的同時,通過有效地控制螺紋底孔精度和加工參數(shù),能改善加工環(huán)境。經(jīng)過摸索,發(fā)現(xiàn)螺紋底孔名義尺寸為 Φ 3.56+0.10,而實際鉆孔內(nèi)控到Φ 3.56+0.1+0.05,以減小銑刀所受切削力。切削參數(shù)為S=600～650 r/min,F=300 mm/min。銑削螺紋時加工參數(shù)為 S=2 000～2 500 r/min,F=82.5 mm/min時較為適宜。零件要求尺寸為M4×0.5-6G中徑為 Φ 3.675+0.12+0.02經(jīng)檢測,銑削后螺紋不僅能滿足圖紙尺寸要求,而且還能達到更高的尺寸精度。如6H、5H公差等級。銑削加工不僅避免了零件材料難加工因素,同時縮短了加工時間,降低了刀具消耗。(見圖7)。

圖7 零件加工數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

從圖7中可以看出,不同的加工方式單把刀具所加工出的零件數(shù)量差距之大,銑削加工單把刀具能加工零件數(shù)量達60件甚至更高。而傳統(tǒng)加工單把刀具加工數(shù)量僅為2件,用時5 min。銑削螺紋單件加工時間為1.5 min,是傳統(tǒng)加工時間的1/4。

2.3.3 銑削螺紋特點

作為一種新型的螺紋加工工藝,螺紋銑削與攻絲相比具備獨有的優(yōu)勢和更廣泛靈活的使用方式和應用場合。

(1)加工高效率

我們知道在大批量的螺紋加工中,由于絲錐比較低的切削速度以及在加工好螺紋后的反轉(zhuǎn)退刀的限制,要想提高加工效率十分困難。然而如果我們使用螺紋銑刀,它不但本身的銑削速度很高,而且它的多刀槽設計增加了切削刃數(shù),從而可以輕松提高進給速度,這樣可以大幅提高加工效率。在長螺紋的加工中,我們還可以選用更長刀刃的刀片來減少軸向進給距離(相當于讓螺紋變短),從而來進一步提高加工效率。

(2)優(yōu)異的表面質(zhì)量及尺寸精度

用絲錐加工時,由于較低的切削速度及困難的切屑折斷的影響,要想獲得很好的表面光潔度和螺紋精度相當困難。然而對于螺紋銑削來說一切都不是問題。很高的切削速度,較小的切削力使切削面很光滑;細碎的切屑能被冷卻液輕松沖出工件,不會劃傷已加工面。對于螺紋精度有較高要求的工件,由于螺紋銑刀是靠螺旋插補來保證精度的,所以只要調(diào)整一下程序就能輕松獲得所需高精度螺紋。這個特點在精密螺紋加工中擁有絕對優(yōu)勢。

(3)穩(wěn)定性好,安全可靠

在加工難加工材料,如鈦合金,高溫合金和高硬度材料時,由于切削力太大使絲錐經(jīng)常會扭曲甚至折斷在零件中。在加工長切屑材料中,一旦排屑不暢,切屑會纏繞絲錐或堵塞孔口,經(jīng)常導致絲錐崩口或斷在零件中。取出斷的絲錐不但費時費力,而且有可能破壞零件。要解決這個問題我們可以采用螺紋銑刀。由于螺紋銑刀是逐漸切入材料,它產(chǎn)生的切削力較小,很少會出現(xiàn)斷刀,即使萬一出現(xiàn)斷刀,由于銑刀直徑比螺紋孔小很多,可以輕松從零件中取出斷裂部分而不會傷及零件。

3 數(shù)控技術的高效應用

由于銑削螺紋很好地解決了零件螺紋加工難的問題,同時又縮短了零件螺紋加工的時間,這讓我們認識到數(shù)控加工對于零件的高效性。于是我們對鎖緊塊零件進行了工藝分析。工藝分析后,我們發(fā)現(xiàn)鎖緊塊可在一次裝夾下,通過數(shù)控機床的多功能性(自動換刀功能),使零件在一次裝夾下加工出零件所有需要機械加工的表面。把原工藝中的四道工序:銑平面工序、鉆螺紋底孔工序、锪倒角工序、攻螺紋工序在數(shù)控加工中心上合并成一道工序進行加工。

經(jīng)過實際的加工試驗,加工效果十分明顯。工序合并后極大地縮短了整個零件加工過程的加工時間。同時因為零件的外表面是鑄造表面,一次裝夾加工出來后,避免了零件因為多次裝夾產(chǎn)生的定位誤差。

經(jīng)過數(shù)控合并加工后,零件的整個加工過程十分簡短,機械加工僅在一個工序內(nèi)進行。在保證零件質(zhì)量的同時,提高了加工效率,縮短了整個零件的加工時間,降低了加工成本,高效率、高質(zhì)量地應用了數(shù)控技術。

4 結(jié)語

此次研究試驗,不僅達到了原定目標,同時也高效、高質(zhì)量地完成了零件加工過程。從理論上的分析到實際的運用 ,分析出了零件的難加工原因,總結(jié)出了加工此類零件的有效加工方法。對比了絲錐加工與銑削螺紋的各自優(yōu)勢。為公司在加工小孔螺紋方面提供了成功的加工經(jīng)驗?？偠灾?絲錐加工還是銑削加工,唯一的選用標準就是:低成本高效率地加工出合格零件。

[1]韓榮第,于啟勛.難加工材料切削加工[M].北京:機械工業(yè)出版社,1996:412-426.

[2]機械設計手冊委員會.機械設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004:53-60.

[3]孟少農(nóng).機械加工工藝手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1991:78-83.