一种高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法与流程

本发明涉及机械加工技术领域，特别涉及了一种高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法。

背景技术：

在机械加工技术中，特别是在高精度高温合金薄壁筒轴工件的加工制造中，变形问题一直是一大技术难点，严重影响工件的合格率。此类工件在以前从未加工过，是首次接触，没有类似可借鉴的加工工艺。高温合金筒轴工件是重要件，尺寸精度较高，技术条件要求多且极为严格，整个型面壁厚仅1.8-2mm，工件材料为高温合金，属难加工材料，按照以往的加工方式加工，筒轴工件总存在很大的变形，甚至已经严重影响到工件的合格交付，控制筒轴工件变形已经成为一个亟待解决的技术瓶颈，急需研发一种高精度高温合金薄壁筒轴变形的控制方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为了控制高精度高温合金薄壁筒轴变形，特提供了一种高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法。

本发明提供了一种高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法，其特征在于：所述的高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法是：

1)确定工艺方案：因为工件属于薄壁件，在开始制定工艺路线时就必须考虑控制变形；

工件材料为高温合金，加工时候切削力大，容易累积较大的机加应力，为了最大限度减小机加应力对工件变形的影响，工艺路线安排了两次消除应力热处理：经过车超声波面、粗车后，工件每边剩余2～3mm余量，工件去除材料多，累积机加应力大，此时进行第一次消除应力热处理，消除前几道工序累积的应力；当半精车后，各边余量严格控制在1mm，再进行一次消除应力热处理，释放工件中所累积的机加应力，控制精车时机加应力对工件变形的影响；

因为工件壁厚1.8-2mm，为保证该尺寸的加工精度，将内外型面在同一工序中加工，减少重复装夹对各尺寸精度的影响；同时由于是一次加工完成内外型面，相关的技术条件也得到了保证；

2)确定防变形夹具结构：研究确定工件装夹方式，改进夹具装夹方案，精车内外型面、加工大端面孔槽、加工小端面孔槽采用防变形的专用夹具，解决工件加工时引起的变形问题；

精车内外型面时一般夹具采用内外倒压板或压盖进行，由于此工件壁厚太薄，刚性差，加工时易产生振纹，工件也易变形，很多精度要求较高尺寸及技术条件无法保证；设计了一套专用车加工型面夹具，带有可拆卸的外圆支撑，一组可拆卸的内支撑，锥面支撑，以减少零件装夹变形；专用夹具有定位部分、夹紧装置、压紧装置，还有支撑装置；夹具有4组压板，4个独立的可拆卸的外圆支撑，一组可拆卸的内支撑，锥面支撑，端面压盖等，主要采用压板压紧，再配合内外圆辅助支撑，以保证装夹质量，减少工件振动，控制工件变形；采用该套夹具加工工件，工件做到充分支撑，变形得到了有效控制；

大端面为整个工件的轴向基准，精度要求高；在加工大端面时，刀具钻削力使工件大端易变形，无法满足大端面高精度要求，夹具，减少工件变形；夹具以大端内端面为支撑，小端内圆为止口，压紧大端端面；支撑座内侧小孔用于钻镗大端面孔工序，防止钻孔时，钻伤夹具，外侧有一处缺口，用于铣大端外圆缺口工序，压盖上有对应的缺口，用于铣大端面槽工序；夹具满足三个工序使用要求；

小端面对大端面有较高的技术条件要求；加工小端面时，由于加工余量大，且既有钻镗加工，又有铣加工，小端面易变形，很难保证与大端面的相对要求；因此需要对小端进行充分支撑，以较少振刀，控制工件变形；该夹具上端支撑面为两个可拆卸的半环型结构，将工件放入夹具内后，再调整支撑面支撑工件小端下端面，并用螺钉将支撑面固定在夹具上；在钻镗小端端面孔和小端内端端面孔时，用特制压板压紧小端端面；在加工小端端面槽、小端外圆花边、小端内端面内侧花边时，用螺钉通过小端端面孔将工件压紧在夹具上，拆掉特制的压板，开始加工；夹具满足五个工序使用要求；

3)优化切削刀具、加工参数；刀具半径过小，切削深度对应也很小，切削效率不高，并且因为材料很硬的原因非常废刀片，刀具半径过大，切削接触面大，切削力也很大，容易引起薄壁件的变形；根据工件状态，结合实际情况，最终适合的刀具；转速高，进给量大，虽然可以提高切削效率，但是在单位时间内切除的材料多，工件热传导不充分，累积的机加应力也大，很容易导致薄壁件变形；切削深度受刀具半径制约，并且切削深度将直接影响工件受到的切削力，因为选用的刀具半径仅为0.4mm，且为了减少切削力对薄壁件的影响，切削深度也不宜过大；在满足加工精度的前提下，选择合适的切削参数；

4)进行试验件试验，摸索加工规律：通过加工试验解决了精车内外型面、加工大小端后对工件产生变形的影响；采用新结构夹具解决了加工振颤的问题；通过加工试验选择刀具的可行性，切削参数的合理性；在加工大端和小端时，因工件壁薄刚性差，按照正常铣加工工件端面有变形，为了进一步控制切削力对工件变形的影响，因此采用多次扩孔加工和分层加工；经检测尺寸和技术条件均符合图纸要求；

5)试验件试验合格后，再正式加工后续工件，采用与试验件同样的工艺路线、装夹方式，加工刀具，切削参数；正式工件加工后，经用三坐标检测检查合格，突破了高温合金薄壁筒轴工件变形的技术瓶颈。

本发明的优点：

本发明所述的高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法，解决了高温合金薄壁筒轴变形的技术难题。薄壁筒轴工件，壁薄，工件各尺寸精度要求高，技术条件要求严，很多技术条件都在0.015～0.025mm之间。中段壁厚为2mm，大端锥面壁厚仅1.8mm，大端均布有XX个ΦXX小孔，小端均布有XX个ΦXX小孔，大小端孔位置度均为0.04mm，小端内端面均布有XX个ΦX小孔，小端外圆和小端内端面内圆对应分布有XX处花边，小端端面有XX处槽。还有动平衡等技术要求，精度要求高，加工很难保证。而且该工件属于薄壁件，整个型面厚度仅1.8-2mm，结构刚性差；工件材料为高温合金,该材料硬度高，可切削性差，无直接可借鉴经验，这些都为保证该工件加工质量带来困难。在实际加工中，制定了合理的加工路线，设计了一套车床夹具，两套同时用于镗床和铣床的夹具以减少工件变形，选择合适的刀具，并优化切削参数，采用低转速小进给加工，最终加工出合格工件，突破了高温合金薄壁筒轴变形的技术瓶颈，保证了工件设计要求，可在同类工件中推广使用，为类似工件加工提供了宝贵的经验，对制造技术水平的提升，具有深远的意义和一定的经济效益。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为修复小端基准加工示意图；

图2为精车内外型面加工部分示意图；

图3为加工大端面夹具示意图；

图4为加工小端面夹具示意图；

图5为加工大端面示意图；

图6为加工小端面示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法，其特征在于：所述的高精度薄壁筒轴控制变形的加工方法是：

1)确定工艺方案：因为工件属于薄壁件，在开始制定工艺路线时就必须考虑控制变形；

工件材料为高温合金，加工时候切削力大，容易累积较大的机加应力，为了最大限度减小机加应力对工件变形的影响，工艺路线安排了两次消除应力热处理：经过车超声波面、粗车后，工件每边剩余2～3mm余量，工件去除材料多，累积机加应力大，此时进行第一次消除应力热处理，消除前几道工序累积的应力；当半精车后，各边余量严格控制在1mm，再进行一次消除应力热处理，释放工件中所累积的机加应力，控制精车时机加应力对工件变形的影响；

因为工件壁厚1.8-2mm，为保证该尺寸的加工精度，将内外型面在同一工序中加工，减少重复装夹对各尺寸精度的影响；同时由于是一次加工完成内外型面，相关的技术条件也得到了保证；

2)确定防变形夹具结构：研究确定工件装夹方式，改进夹具装夹方案，精车内外型面、加工大端面孔槽、加工小端面孔槽采用防变形的专用夹具，解决工件加工时引起的变形问题；

精车内外型面时一般夹具采用内外倒压板或压盖进行，由于此工件壁厚太薄，刚性差，加工时易产生振纹，工件也易变形，很多精度要求较高尺寸及技术条件无法保证；设计了一套专用车加工型面夹具，带有可拆卸的外圆支撑，一组可拆卸的内支撑，锥面支撑，以减少零件装夹变形；专用夹具有定位部分、夹紧装置、压紧装置，还有支撑装置；夹具有4组压板，4个独立的可拆卸的外圆支撑，一组可拆卸的内支撑，锥面支撑，端面压盖等，主要采用压板压紧，再配合内外圆辅助支撑，以保证装夹质量，减少工件振动，控制工件变形；采用该套夹具加工工件，工件做到充分支撑，变形得到了有效控制；

大端面为整个工件的轴向基准，精度要求高；在加工大端面时，刀具钻削力使工件大端易变形，无法满足大端面高精度要求，夹具，减少工件变形；夹具以大端内端面为支撑，小端内圆为止口，压紧大端端面；支撑座内侧小孔用于钻镗大端面孔工序，防止钻孔时，钻伤夹具，外侧有一处缺口，用于铣大端外圆缺口工序，压盖上有对应的缺口，用于铣大端面槽工序；夹具满足三个工序使用要求；

小端面对大端面有较高的技术条件要求；加工小端面时，由于加工余量大，且既有钻镗加工，又有铣加工，小端面易变形，很难保证与大端面的相对要求；因此需要对小端进行充分支撑，以较少振刀，控制工件变形；该夹具上端支撑面为两个可拆卸的半环型结构，将工件放入夹具内后，再调整支撑面支撑工件小端下端面，并用螺钉将支撑面固定在夹具上；在钻镗小端端面孔和小端内端端面孔时，用特制压板压紧小端端面；在加工小端端面槽、小端外圆花边、小端内端面内侧花边时，用螺钉通过小端端面孔将工件压紧在夹具上，拆掉特制的压板，开始加工；夹具满足五个工序使用要求；

3)优化切削刀具、加工参数；刀具半径过小，切削深度对应也很小，切削效率不高，并且因为材料很硬的原因非常废刀片，刀具半径过大，切削接触面大，切削力也很大，容易引起薄壁件的变形；根据工件状态，结合实际情况，最终适合的刀具；转速高，进给量大，虽然可以提高切削效率，但是在单位时间内切除的材料多，工件热传导不充分，累积的机加应力也大，很容易导致薄壁件变形；切削深度受刀具半径制约，并且切削深度将直接影响工件受到的切削力，因为选用的刀具半径仅为0.4mm，且为了减少切削力对薄壁件的影响，切削深度也不宜过大；在满足加工精度的前提下，选择合适的切削参数；

4)进行试验件试验，摸索加工规律：通过加工试验解决了精车内外型面、加工大小端后对工件产生变形的影响；采用新结构夹具解决了加工振颤的问题；通过加工试验选择刀具的可行性，切削参数的合理性；在加工大端和小端时，因工件壁薄刚性差，按照正常铣加工工件端面有变形，为了进一步控制切削力对工件变形的影响，因此采用多次扩孔加工和分层加工；经检测尺寸和技术条件均符合图纸要求；

5)试验件试验合格后，再正式加工后续工件，采用与试验件同样的工艺路线、装夹方式，加工刀具，切削参数；正式工件加工后，经用三坐标检测检查合格，突破了高温合金薄壁筒轴工件变形的技术瓶颈。

薄壁筒轴工件，壁薄，中段壁厚为2mm，大端锥面壁厚仅1.8mm，工件各尺寸精度要求高，技术条件要求严，很多技术条件都在0.015～0.025mm之间。中段壁厚为2mm，大端锥面壁厚仅1.8mm，大端均布有XX个ΦXX小孔，小端均布有XX个ΦXX小孔，大小端孔位置度均为0.04mm，小端内端面均布有XX个ΦX小孔，小端外圆和小端内端面内圆对应分布有XX处花边，小端端面有XX处槽。还有动平衡等技术要求，精度要求高，加工很难保证。而且该工件属于薄壁件，整个型面厚度仅1.8-2mm，结构刚性差；工件材料为高温合金,该材料硬度高，可切削性差，无直接可借鉴经验，这些都为保证该工件加工质量带来困难。如图1，薄壁筒轴变形控制为薄壁高温合金筒轴工件关键加工技术难点。

1、工艺路线对工件变形的控制

因为工件属于薄壁件，在开始制定工艺路线时就必须考虑控制变形。

工件材料为高温合金，加工时候切削力大，容易累积较大的机加应力，为了最大限度减小机加应力对工件变形的影响，工艺路线安排了两次消除应力热处理：经过车超声波面、粗车后，工件每边剩余2～3mm余量，工件去除材料多，累积机加应力大，此时进行第一次消除应力热处理，消除前几道工序累积的应力；当半精车后，各边余量严格控制在1mm，再进行一次消除应力热处理，释放工件中所累积的机加应力，控制精车时机加应力对工件变形的影响。

因为工件壁厚仅2mm，为保证该尺寸的加工精度，将内外圆型面在同一工序中加工，减少重复装夹对各尺寸精度的影响。同时由于是一次加工完成内外型面，相关的技术条件也得到了保证。

2、精车前修复小端基准

在第二次消除应力热处理之后，修复小端基准。加工前找正夹具配合端面跳动不大于0.01mm。以大端端面和外圆为基准，压紧大端内端面，涨紧内型面，如图2。在外型面靠工件中间位置上加工出宽约10mm、深0.1(毫米)max的环形找正带，以便下工序精车内外型面找正用。

3、精车内外型面控制变形

为了控制工件壁厚差，同时保证各技术条件的要求，在修复小端基准后，一次加工内外型面和端面。工件在该工序实际加工部位如图3所示，小端位置为本工序用于夹紧的部分，虚线内部分为该工序需要加工部分。

为了达到一次装夹加工内外型面及端面，且减少机加力对工件变形的影响，因此设计了专用的精车夹具。

如图4所示，夹具有4组压板，4个独立的可拆卸的外圆支撑，一组可拆卸的内支撑，锥面支撑，端面压盖等，主要采用压板压紧，再配合内外圆辅助支撑，以保证装夹质量，减少工件振动，控制工件变形。在实际加工时，先用压板轻轻压紧工件，找正外圆找正带跳动不大于0.01mm后，压紧压板，安装外圆辅助支撑，调节上面的旋钮，使支撑面与工件外型面接触，此时开始加工工件端面和内型面。加工完毕后，安装内支撑，安装并调节锥面支撑至轻轻压紧工件，然后轻微压紧端面压盖，并卸掉外圆支撑，此时开始加工工件外型面。

采用该套夹具加工工件，工件被充分支撑，变形得到了有效控制。加工后的工件表面基本无振纹，满足设计图纸对工件尺寸精度和技术条件的要求。

4、优化切削刀具、加工参数

因为工件材料为高温合金，适合加工的刀具的材料为TS2000、CP200、KC5010、IC907等，根据工件状态，结合实际情况，最终采购材质为CP200刀片加工。刀具半径过小，切削深度对应也很小，切削效率不高，并且因为材料很硬，刀片磨损快，刀具半径过大，切削接触面大，切削力也很大，容易引起薄壁件的变形，综合考虑选用刀片半径为R0.4mm。转速高，进给量大，虽然可以提高切削效率，但是在单位时间内切除的材料多，工件热传导不充分，累积的机加应力也大，很容易导致薄壁件变形。切削深度受刀具半径制约，并且切削深度将直接影响工件受到的切削力，因为选用的刀具半径仅为0.4mm，且为了减少切削力对薄壁件的影响，切削深度也不宜过大。经过多次试验，在满足加工精度的前提下，转速为40r/min，进给量为0.1mm/r，切削深度不超过0.25mm。

5、镗孔、铣削加工

加工大端端面时夹具的设计

工件大端端面有XX处小孔，X处槽，大端外圆有X处缺口。在加工大端面时，为防止刀具钻削力使工件大端变形，因此设计了专用夹具，减少工件变形，如图5所示。夹具以大端内端面为支撑，小端内圆为止口，压紧大端端面。支撑座内侧小孔用于钻镗大端面孔工序，防止钻孔时，钻伤夹具，外侧有一处缺口，用于铣大端外圆缺口工序，压盖上有对应的缺口，用于铣大端面槽工序。夹具满足三个工序使用要求，减少专用夹具的数量，保证夹具制造节点的同时，也节约了成本。采用快换装置可使夹具可在不拆卸压板螺母的情况下快速更换工件，方便现场加工。

加工小端端面时夹具的设计：小端均布有XX个ΦXX小孔，端面有XX个槽，外圆有XX处花边，在小端内端面上还均布有XX个ΦX小孔，内端面内侧有XX处花边。由于加工余量大，且既有钻镗加工，又有铣加工，因此需要对小端进行充分支撑，以较少振刀，控制工件变形。由于工件大端在下，小端在上，因此需要设计特殊结构的夹具。

该夹具上端支撑面为两个可拆卸的半环型结构，将工件放入夹具内后，再调整支撑面支撑工件小端下端面，并用螺钉将支撑面固定在夹具上。在钻镗小端端面孔和小端内端端面孔时，用特制压板压紧小端端面。在加工小端端面槽、小端外圆花边、小端内端面内侧花边时，用螺钉通过小端端面孔将工件压紧在夹具上，拆掉特制的压板，开始加工。夹具满足五个工序使用要求，大大减少专用工装数量，降低工装制造成本。利用该工装加工的工件，加工效率高，表面质量好，工件变形也得到充分控制。

镗削、铣削加工：在加工大端和小端时，为了进一步控制切削力对工件变形的影响，因此采用多次扩孔加工和分层加工。

以加工大端端面孔假设Φ12.3+0.0180mm为例：先采用Φ7mm中心钻打点，然后用Φ9mm钻头钻孔，Φ11.5mm铣刀第一次扩孔，Φ12mm铣刀第二次扩孔，接着用镗刀片镗孔至Φ12.20～12.25mm，最后用Φ12.3050-0.005mm圆柱柄铰刀铰孔至合格。每次钻削量都很小，工件受到的钻削力不大，最大限度控制工件在镗孔时的变形。在铣小端外圆花边时，采用了每层加工，每次切削0.5mm，分5次粗加工一个花边，并在所有花边加工完毕后再对花边进行一次精铣，最终完成的花边无振纹，表面质量高。

经过采用以上步骤加工的筒轴工件，筒轴变形得到了很好的控制，加工的筒轴工件符合图纸要求，突破了高温合金薄壁筒轴变形的技术瓶颈，可在同类工件中推广使用，为类似件加工提供了可借鉴的经验，提升了制造技术水平，具有深远的意义和一定的经济效益。