复杂箱体类零件的加工工艺优化

复杂箱体类零件的加工工艺优化

西安航天发动机有限公司

710100

刘海洋  王尊义   龙恒强   邹永鹏  王凤

摘要：随着新工艺、新技术、新设备、新材料的不断涌现和应用，并且产品型号研制周期越来越短，以及产品精度要求不断严格，原复杂箱体的制造工艺技术需要在新的形势下不断进行工艺优化和改革，从而提高产品的效率和质量。本文通过对复杂箱体类零件的工艺结构分析，利用先进的制造设备与新型的刀具结构对箱体的工艺流程进行了优化。

关键词：   工艺优化    改革方案    加工方式

1、引言

液体火箭发动机管路中大量采用箱体类零件，此类零件一直在普通设备上进行铣加工及车加工成型制造，由于箱体零件各管嘴之间距离较小，加工过程中存在不易装夹或管嘴装夹变形，管嘴精度较高难以保证等难点，若有一个管嘴加工不慎会导致整个零件超差待用甚至是报废，大大制约了生产任务的正常进行。随着技改力度不断加大，要解决无法按时保质保量交付的现状，从而提出对复杂箱体类零件加工工艺优化。

2、典型零件结构

集合器材料是1Cr18Ni9Ti,是在长方体锻件上加工，被加工面有A～E 5个面，有不同尺寸、不同密封结构共10个螺纹管嘴，再加上两个光孔，共12孔与内腔相连贯通，因此也被形象的称为十二通。该零件E面上两个螺纹管嘴是重要密封管嘴，粗糙度要求达到Ra0.8，而其它螺纹管嘴密封面粗糙度要求在Ra1.6，但所有管嘴的公差都在0.036㎜，同轴度要求全部达到0.05㎜。这样严格的加工要求，无形之中加大了操作的难度，也延长了生产周期。集合器外形及结构如图1所示。

图1  集合器三维图形               图2  六通本体三维图形

六通本体材料为1Cr18Ni9Ti方钢,有6个螺纹管嘴，与集合器类似，各管嘴相贯连接，内形结构复杂。六通本体外形及结构如图2所示。

3、加工工艺分析

3.1集合器原工艺工艺流程图

图3  集合器原加工工序流程图

从流程图可看出，原工艺方法是以车工为主，前后共有22道工序，其中有12道工序是在普通车床上用于加工A～E 5个面上的各个螺纹管嘴。普通车床虽然具有极广的通用性，但是结构复杂且自动化程度低，在加工形状比较复杂的工件时，换刀较麻烦，加工过程中的辅助时间较多，若再加上车床本身的精度不高，经常会出现螺纹管嘴超差、变形，就只能办理质疑单甚至报废，导致零件合格率大大降低，不仅增加单位加工成本，也制约生产任务的正常交付。

3.2六通本体原工艺工艺流程图

图4 六通本体原加工工序流程图

六通本体虽然在工序数量上看似比集合器少很多，但它每个管嘴的粗糙度都要求达到Ra0.8，原工艺是在车床上依靠组合夹具装夹加工，需要更换3次组合夹具。另外管嘴内部有两处小通孔，是在台钻上靠专用钻套配合加工，尺寸稳定性差，效率低，产品很难保证按时交付。

4、工艺方法改进

4.1改进的前提条件

我国的航天事业起步于20世纪的五六十年代，在最初研制运载系列时，工厂只有最普通的加工设备，因此，该类零件的原工艺方法主要是以普通车床加工为主。而现如今，社会不断快速发展，加工种类越来越多，新型的先进设备更是层出不穷，满足了各类加工各方面的要求。随着我厂加大“技改”力度，引进多种数控机床及加工中心，为了提高该类零件的加工速率，保证产品质量，降低成本和劳动强度，所以决定对复杂该类零件进行工艺优化。

4.2选择新型工艺方法

在加工方式中，最常用的是车加工，但现在由于车加工该类零件受到各种局限，而铣加工又有多种优势涌现，因此决定将工艺方法彻底转变，由数控铣螺纹管嘴代替原车加工。以集合器为例具体分析。

4.3机床的选择

考虑到集合器的特点和结构，在所有接管嘴粗铣成型，车工将内腔车制完成后，后续工序改为数控铣加工，将A～E 5个面作为加工单位，减少装夹次数，并采用成型刀具，以达到提高生产效率，降低劳动强度，节约生产成本，保证产品质量的效果。

   结合上述提出的要求，车间选择GX1000Plus数控铣加工中心。该机床基本形式为立式机床，具有X、Y、Z、A轴，A轴回转范围在0～360°之间，具备四轴联动功能，具有高效钻削、铣削及刚性攻丝等加工功能；机床具有高钢性、高抗震性、高精度，良好的热稳定性，能可靠地完成高精度零件的粗精加工；具有刀具库，减少人力更换刀具的麻烦。选择GX1000Plus加工集合器有以下优势：

1、工序集中。集中了铣削和不同直径的孔加工工序。2、自动换刀。按预定的加工程序，自动地把各种刀具换到主轴上去，把用过的刀具换下来。3、加工精度高。各孔的中心距全靠各坐标的定位精度保证，不用钻、镗模。4、装夹找正方便。集合器外型毕竟为规矩的长方体，靠虎钳简单的固定即可完成装夹，找正也更加快捷。

表1 集合器部分切削参数

4.4加工方式的改进

采用GX1000Plus基本上是将原先的工艺方法进行全面革新，改用铣削高效率的加工方法。铣削时同时参加工作的切削刃总长度较长，且无空行程，而使用的切削速度也较高，故加工生产率一般较高，表面粗糙度值较小。

4.4.1铣加工的优势

车加工虽然具有：1、易于保证工件各加工面的位置精度；2、切削过程较平稳，避免了惯性力与冲击力，允许采用较大的切削用量，高速切削，利于生产率提高；3、车刀制造、刃磨和安装均较方便等优点，但加工该零件的机床属于60年代的设备，较为老旧，也经常出现故障导致加工精度降低，再由于该零件加工费时费力，能加工它的操作者少之甚少，因此具有生产局限性。而转换到数控设备后，更多的是靠设备本身的优良性能、合理的数控程序以及刀具来保证，不用过多的依赖操作者的技能水品，因此可以进行批量生产。

相较于车削加工，数控铣加工具有以下优点：

1、铣刀各刀齿周期性地参与间断切削；

2、每个刀齿在切削过程中的切削厚度是变化的；

3、每齿进给量（毫米/齿），标识铣刀每转过一个刀齿的时间内工件的相对位移。

以前在车制集合器所有管嘴时采用的是四爪或组合夹具装夹，但组合夹具也有以下几点缺陷：1、由于组合夹具的精度是靠组合夹具元件精度来保证，因此就需要对所用元件经过仔细测量、挑选和合理选配，所需储备量极大，若有磨损，加工零件的精度也会随之下降；2、组合夹具的结构较为复杂，材料性能要求高；3、组合夹具是由许多具有互换性的标准元件和组合件组成的，因此它与专用夹具相比，一般就显得体积大些、重量重些，在连接处的刚度也弱些。

再将将集合器转换到数控设备上加工一段时间后，经过操作者的构思，只需在一块垫板（垫板厚度稍高于螺纹管嘴高度）上根据集合器螺纹管嘴位置车制几个通孔（孔内径略大于螺纹管嘴外径）后，压在零件上就可直接用虎钳装夹。虽然小工装很简单，但是这样既省时又省力，也减少操作者来回拆装组合夹具、找正的麻烦。

4.3.2改进后铣加工工艺流程

经过两种工艺流程对比，现有的工序不仅比原加工少，减少到17道工序，且操作简单，装夹也不像原来那样繁琐，具有很大的推广性。

图5  优化后集合器工序流程图

图6  优化后六通本体工序流程图

4.4刀具的定制

4.4.1成型铣刀

在转换数控设备的同时，也需要对加工刀具进行分析定制。由于设备为数控加工中心，一致性较好，因此采用成型铣刀更能保证生产质量。成型铣刀是用来加工成型表面的专用刀具，其切削刃轮廓形状是根据工件的成形表面形状设计计算的。而本次设计的成型铣刀属于尖齿成型铣刀，后刀面设计成简单的平面，用钝后重磨刀齿后面，耐用度和加工表面质量都比较高，也比较方便。但因其后面也是成形表面，重磨时必须用专门靠模夹具。

4.4.2刀具材料

根据零件的结构，本次转换设计多种成型铣刀，现以集合器为例，列出2种成型刀具。如：60°锥孔专用铣刀、45°倒角专用铣刀、退刀槽专用刀等，均采用硬质合金，由于硬质合金成分中都含有大量金属碳化物，这些碳化物都有熔点高、硬度高、化学稳定性好、热稳定性好等特点，因此，硬质合金的硬度、耐磨性、耐热性都很高，这也是采用整体硬质合金成型铣刀的优点。

下面列出两把成型铣刀示意图：

图7为45°倒角专用铣刀，图8为硬质合金退刀槽专用铣刀。

图7                                                               图8

4.5铣削方式

4.5.1确定铣削方式

由于加工集合器时表面已无硬皮，且设备的进给机构具有消除丝杠螺母间隙的装置，且要求已加工表面质量较高，因此采用顺铣方式。

4.5.2顺铣特点

顺铣时，刀齿的切削厚度从αcmax到αc=0，容易切下切削层，刀齿磨损较少，能满足质量要求。

5、优化后的提升

表2优化后的各项对比

6、结论

通过对零件的结构分析，选择适用的数控设备代替普通机床，对专用刀具设计，优化工艺方法，可以极大地改变较难较复杂加工零件的生产过程，将以铣代车或以车代铣的加工方法和经验推广到所有具有多接嘴的复杂零件加工，从而全面推进工艺技术创新，最大限度地挖掘生产潜能，同时在工艺源头上缓解车间车加工能力严重不足的矛盾。

参考文献

[1] 陈日矅，金属切削原理，机械工业出版社，2009年6月

[2] 乐兑谦，金属切削刀具，机械工业出版社，2010年1月

[3] 王启平，机床夹具设计，哈尔滨工业大学出版社，2005年7月

[4] 王先逵  张平款，机械制造工程学基础，国防工艺出版社，2008年8月

[5] 戴曙，金属切削机床，机械工业出版社，2010年1月

[6] 宋绪丁，机械制造技术基础，西北工业大学出版社，2005年8月

[7] 郝建民，机械工程材料，西北工业大学出版社，2006年9月

[8] 张帆  宋绪丁  曹源文，机械精度设计与检测，陕西科学技术出版社，2006年8月

[9] 杨裕根  诸世敏，现代工程图学，北京邮电大学出版社，2005年8月

[10] 关英姿，火箭发动机教程，哈尔滨工业大学出版社，2006年3月

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