一种卡环加工工艺方法与流程

本发明属于精密机械加工技术领域，涉及一种高强度钢的精密加工成型工艺技术。

背景技术：

卡环连接结构主要应用在固体火箭发动机上，用于壳体与封头、喷管的连接；亦可用于其他各类产品的连接，应用前景广泛。

某型号发动机燃烧室壳体与喷管采用卡环连接，卡环为卡环组合件，结合面采用螺旋型结构。单件卡环成对使用，相互首尾配合，卡环组合件示意图见图1，单件卡环示意图见图2。

卡环材料一般选用30crmnsia或20钢，硬度为调制或正火态(hrc35～40)，外形尺寸：外径300mm～500mm(尺寸公差约0.02mm～0.10mm)、厚度3mm～6mm、宽度最大值与最小值差距大、首尾不相连(间距约30mm～80mm)，为开放式结构、对接型面近似为圆的螺旋型面，一般标注参考螺旋角度值、端面与外圆的垂直度高(垂直度约0.02mm～0.06mm)。卡环成组配合后，宽度尺寸公差要求

卡环对接型面近似为一圆的螺旋型面，对接型面可采用数控铣加工，数控铣需采用5轴加工中心进行加工，工件转动与铣刀进给同步联动，加工程序编制复杂，对工人技能要求高、操作难度大，且一次仅能加工单件卡环，加工时要保证铣削的可靠性，需留取工艺夹头，夹头应有足够的刚度，以保证装夹不会造成卡环的变形，影响铣削质量，工艺夹头的长度远大于卡环加工区域长度，造成很大浪费，经济性不好。

数控铣加工完螺旋型面的卡环，需要从工艺夹头上分离下来，保证卡环首尾宽度尺寸，并保证卡单件环本成组配合后宽度尺寸公差若采用数控铣加工，因卡环尾部宽度小，铣加工易造成卡环尾部翘曲变形，即使数控铣将卡环勉强分离，卡环成组配合后宽度尺寸公差易不能保证，加工的卡环不能实现顺利装配，卡环不能使用。

综上所述，高强度薄壁卡环加工受限于开放式结构，刚性较差，自由状态尺寸稳定性差，单件卡环加工变形大，卡环成组使用时，配合型面存在不均匀间隙，配合面由面接触变为线接触，降低卡环的使用强度；亦会造成卡环受力后型面变形，影响卡环的拆卸等诸多问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种卡环加工工艺方法，能够减小加工变形，提高加工尺寸精度，以实现薄壁卡环的精密加工成型。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)将单件卡环的两端相向延长到相接，围合成整圆；按照整圆直径锻造一个中空圆柱；

2)粗车中空圆柱，得到卡环毛坯后进行超声波探伤，满足探伤要求后热处理消除锻造应力；

3)精车卡环毛坯，具体步骤如下：选取卡环两端相向延长的相接处的宽度作为牙形宽度，以螺纹切槽刀的宽度作为牙槽宽度，以牙形宽度与牙槽宽度之和作为车削螺距，在中空圆柱的表面车削方牙螺纹；将卡环最窄处的延长距离作为从螺头0mm点开始的弦长，用卡尺在螺尾上找到该点，在卡环毛坯表面沿轴向划一条穿过该点的刻线；

4)将卡环沿车刀划痕处切开，得到若干个形状为整圆的螺旋型面单件卡环；

5)采用数控铣对单件卡环进行铣削，留取0.3～0.5mm的磨削余量；

6)将两个单件卡环的螺旋面相对构成卡环组件，单件卡环用丙酮或乙酸乙酯擦洗干净，用粘接块在两个单件卡环内外侧壁将两个单件卡环粘接成一体，单件卡环的螺旋面不涂胶；室温固化4小时以上；

7)磨削环粘接成一体的两个单件卡环的上平面，磨至螺头、螺尾对接处见光；调转上下方向后磨削另一面；反复调转，要求两个卡环螺头厚度一致；

8)沿步骤3)给出的刻线进行线切割；

9)在卡环螺尾处钻连接孔。

所述步骤(1)的中空圆柱长度大于卡环最大宽度的8倍。

所述的步骤3)中，装夹螺纹切槽刀时，刀杆中心线与走刀方向平行，保证刀杆全长范围跳动量在0.01mm以内；使螺纹车刀进给与工件外圆垂直。

所述的步骤3)中，先加工中空圆柱的内孔，内孔留余量3mm～4mm；再加工外圆，待外圆加工后，用螺纹切槽刀按螺距车螺纹，螺纹深度小于卡环厚度0.05～0.10mm，检验螺纹深度，合格后再加工内孔。

所述的步骤3)中，在螺纹车削之后，内孔车削之前，在外圆装配定型工装，将外圆加以约束，避免车削内孔时工件变形。

所属的步骤6)中在粘接成一体的两个单件卡环下端面安放补偿块，确保卡环轴线与端面垂直。

本发明的有益效果是：

(1)采用车削方牙螺纹加工卡环型面的方法，可以保证卡环成组配合的严密性，卡环螺旋面配合精度高，承载力大，受力均匀，装配后变形小，易于卡环二次拆装，重复使用。

(2)一件卡环毛坯可一次加工出6～8件单件卡环，可组成3～4付卡环组件，加工效率高，一致性好。

(3)在精车时，卡环槽深度留取余量，内孔车削到位后，卡环仍旧连接在一起，不会出现卡环散落，发生缠刀、崩刀现象，造成人员、设备损伤，工艺安全性好。

(4)精车工序，在外径车削完成后，增加车削工装，提高了卡环毛坯刚度，在车削内孔时，由于工装的限制、约束，减少了卡环车削的变形，提高了卡环的壁厚加工精度。

(5)数控铣工序，去掉大的加工余量，大大缩短了磨工序加工时间，提高了卡环加工效率。

(6)通过粘接工序，利用粘接块，将2件单件卡环组合成一体，间接的增加了卡环的刚度，为卡环的精密加工创造了条件。

(7)通过磨工序加工，上下两端均匀磨削，可精确保证卡环组宽度尺寸公差，产品合格率得以保证。

(8)通过线切割加工，可有效保证螺头、螺尾尺寸及卡环缺口尺寸精度。因切割后，卡环失去约束，缺口会出现扩张现象，缺口尺寸无法检测，可通过检测切割下的卡环余料，间接保证缺口尺寸。

附图说明

图1是卡环组合件立体视图；

图2是单件卡环示意图；

图3是粘接结构示意图；

图4是上(下)卡环结构示意图；

图5是卡环组件结构示意图。

图6是本发明卡环加工工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

如图6所示，本发明提供的卡环加工工艺流程包括以下步骤：

1)锻造卡环毛坯，每一卡环毛坯可按加工3～4副卡环组合件考虑；

2)粗车外形，尺寸应满足探伤要求，兼顾热处理的淬透性；

3)超声波探伤，满足gb/t6402-2008《钢锻材超声波检验方法》4级标准要求；

4)热处理hrc35～40，热处理时应尽可能消除锻造应力，还应控制卡环毛坯热处理变形，必要时可采用整形工装加以校形；

5)精车：卡环对接型面近似为一圆的螺旋型面，采用车方牙螺纹的方法加工对接型面，主要便是确定方牙螺纹螺距及切断点的切割位置。只有确定了螺距，才能相应确定切刀尺寸；确定了切断点的位置，才能切出一个完整圆的螺旋型面；这样就解决了卡环螺旋形面成型问题。

下面就方牙螺纹螺距的选择、切断点的选取及精车注意事项等方面进行具体说明：

5.1)螺距的选择

单件卡环有最宽点及最窄点，且两点分开，相距一定距离。如果将两点延长到相接处，合并成整圆，可计算出最宽点及最窄点，可根据计算出最宽点尺寸，选取车削螺距。为了保证车削牙型宽度，所选螺距应尽量接近牙型宽度，考虑到切槽刀具的强度与钢度，结合车床螺距规格，牙槽宽度可在2～4mm范围内选取，牙型宽度同计算出最宽点尺寸，牙型宽度+牙槽宽度＝方牙螺纹螺距。

5.2)切断点的选取

方牙螺纹的牙型宽度，已保证了卡环的最宽尺寸，但要保证最窄点尺寸，就要从螺纹的头部上找到此点。首先计算出螺头0mm点到最窄点尺寸的弦长，用卡尺在螺尾上找到此点，用卡尺量其宽度，作一标记；

用刀尖横向划一刻线，一直划到牙型最宽尺寸面上，在后续线切割工序沿划线切断，即可保证卡环最宽点及最窄点尺寸。

5.3)精车注意事项

装夹螺纹切槽刀时，车刀刀杆中心线应与走刀方向平行。使用百分表找正车刀刀杆，保证刀杆全长范围跳动量0.01mm以内。使螺纹车刀进给与工件外圆垂直，保证成组使用时配合面的贴合度以及后续装配的互换性。

精车时，应先加工内孔，内孔留余量3mm～4mm。再加工外圆，保证外径公差尺寸。待外圆加工后，用切槽刀按螺距车螺纹，螺纹深度应小于卡环厚度0.05mm～0.10mm，临床检验螺纹深度，合格后再加工内孔。

螺纹深度必须严格按工艺要求加工，这样才能够保证当内孔加工到位后，理论上卡环应相互连接在一体。即使工件发生局部变形，卡环也能够保证大部相互连接，变相增加了工件刚性，利于卡环的机加成形。

为避免内孔车到设计要求尺寸时，工件因失去约束而产生变形，影响内孔的加工质量，严重时会发生缠刀、崩刀现象，造成安全事故，故在螺纹车削完后，内孔车削前，在外圆装配定型工装，将外圆加以约束，避免车削内孔时工件变形，影响卡环厚度尺寸精度。

6)线切割：将卡环沿车刀划痕处切开，得到一个完整圆的螺旋型面单件卡环；

7)数控铣：单件卡环成组配合后，其宽度并不满足设计要求，需要对非螺旋面进行加工，若直接进行磨削工序，加工量大，经济型不佳，可采用数控铣，配合必要的铣削工装，对单件卡环进行铣削，留取0.3mm～0.5mm磨削余量即可。

8)粘接：将卡环组件的上卡环、下卡环用蘸适量丙酮或乙酸乙酯的棉纱擦洗干净，用wd1001粘接胶按图3粘接成一体。注意上下卡环结合面不得涂胶，最高点(最厚处)端面应以卡环螺头、螺尾中心对称，并靠紧指压片刻；找正，使卡环内外表面与底面垂直，即卡环轴心与底面垂直；用长10～15mm的块粘贴卡环的内、外表面，内、外表面分别均匀粘接8～10块，要求粘接牢固。将粘接好的卡环组件水平放置于平台上，上面用压块加压，室温固化4小时以上；

9)磨削：以卡环一面为基准，磨上平面，磨至螺头、螺尾对接处见光即可。调头，磨另一面，随机测量上、下卡环螺头处厚度，要求上、下卡环螺头尺寸应一致。此过程需要反复调头，均匀磨削，磨削时需保证卡环轴线与端面垂直，即加工时随机用百分表找正外圆相对磨床工作台的垂直度，必要时用塞尺对卡环进行垂直度补偿，确保垂直度不大于0.03mm，保证厚度尺寸公差

10)线切割：将卡环组上线切割，找出螺头、螺尾对接处，线切割，保证卡环的最宽点及最窄点尺寸；

11)钳：卡环螺尾处钻连接孔；

12)标记：激光标记。

现以某型号发动机用卡环为例进行说明，卡环材料选用：30crmnsia，硬度：hrc35～40，外径内孔宽度最大值13mm、最小值1mm、首尾间距50mm、对接型面螺旋角度值(27.4′)、端面与外圆的垂直度0.03mm，上、下卡环配合后总宽度上(下)卡环结构见图4，卡环组件见图5。

(1)采用卡环加工工艺流程进行加工：

(2)锻件毛坯尺寸：￠510mm×￠470mm×260mm。

(3)粗车、探伤。

(4)热处理：hrc35～40。

(5)选用cw6180c车床，选取方牙螺纹螺距为16mm，取牙型宽13.2mm，牙槽宽2.8mm。

(6)计算出螺头0mm点到0.8mm的弦长，用卡尺在螺尾上找到此点，用卡尺量其宽度0.8mm，作一标记；用刀尖横向划一刻线，一直划到牙型13.2mm面上，在后续线切割工序沿划线切断，即可保证卡环最宽点13.2mm，最窄点0.8mm。

(7)精车时，内径按￠480mm加工。再加工外圆，保证外径待外圆加工后，用宽度2.8mm切槽刀按螺距16mm车螺纹，螺纹深度临床检验螺纹深度，合格后再加工内孔。

(8)线切割加工，沿划线切开，得到一完整的圆卡环。

(9)数控铣加工，留取0.3mm～0.5mm余量。

(10)粘接，单件卡环首尾配合，成组粘接成一体,。

(11)磨削卡环，保证宽度

(12)线切割，沿卡环首尾对接缝，两边各偏移25mm切割，保证尺寸50mm，兼顾尺寸13mm、1mm。

(13)去毛刺，卡环去毛刺，钻孔。

(14)标记。

按照以上工艺方法加工的卡环，经检验，尺寸满足图样要求，安装、拆卸便利，卡环顺利实现重复使用，特别适用于水压试验时，多个壳体与水压工装的装配、拆卸，充分发挥出了卡环的优势。