胡翔云　

（湖北職業(yè)技術(shù)學院，湖北　孝感　432000）

?

小口徑高溫合金噴嘴車削工藝改進

胡翔云

（湖北職業(yè)技術(shù)學院，湖北孝感432000）

車削小口徑薄壁高溫合金噴嘴時，切削力大、加工硬化現(xiàn)象嚴重，工件易變形，刀具壽命短，加工效率低。對原工藝方案進行了改進。加工好內(nèi)孔后，采用反卡爪和傘形頂尖裝夾車外圓，減小了裝夾變形，保證了加工精度；采用三種規(guī)格的鉆頭依次預(yù)鉆孔，提高了加工效率；內(nèi)孔精車刀采用不等粗刀桿焊接而成，提高了刀具剛性；給出各刀具幾何參數(shù)和切削參數(shù)。

高溫合金；噴嘴；車削工藝

圖1是某型號導(dǎo)彈噴嘴，需要進行數(shù)控車削加工。其口徑較小，材質(zhì)為GH3128，固溶處理，毛坯為φ70mm棒料。工件形狀由2個錐形管構(gòu)成，左為收縮管，右為擴張管，中間最窄處常稱為窄喉。

該零件尺寸精度及內(nèi)壁表面質(zhì)量直接影響導(dǎo)彈發(fā)射過程中流體噴射速度和推力，因而對工件尺寸精度和表面質(zhì)量有較高要求，加工難度很大。主要表現(xiàn)在：（1）材料切削性不好。該零件是以鎢、鉬固溶強化，并用硼、鈰、鋯強化晶界的鎳基合金，耐高溫，強度高、塑性好。其切削性只有45鋼的5-20%［1］。由于該材料塑性好，加工時，易產(chǎn)生嚴重的加工硬化，影響已加工表面質(zhì)量。（2）刀具壽命短。該材料塑性好，切削時，容易形成長切屑，纏繞刀具或形成積屑瘤，極易造成刀尖斷裂。加工硬化現(xiàn)象嚴重，刀刃磨損快。工件導(dǎo)熱性不好，切削熱不容易散發(fā)，進一步加劇刀具磨損，從而降低刀具壽命［2］。（3）工件變形嚴重。該零件屬于薄壁工件，易產(chǎn)生裝夾變形和加工變形，導(dǎo)致尺寸精度得不到保證。試加工時，合格品率不到 50%。（4）加工效率低。除材料的切削性不好外，其內(nèi)外壁徑向尺寸變化大，窄喉處直徑僅φ7.89mm，而內(nèi)孔加工深度至少65mm，給刀具形狀及其切削參數(shù)選擇帶來很大困難，影響加工效率。試生產(chǎn)時，加工一件工件需要16小時以上。經(jīng)過反復(fù)試驗，從工藝方案制定、工件裝夾、刀具及切削參數(shù)選擇等方面進行改進，大幅度提高了加工效率。

圖1　某型號導(dǎo)彈噴嘴零件圖

圖2　左端車臺階備用　

一、原工藝方案及其存在的主要問題

原工藝方案：以右端為粗基準裝夾→車左端面→鉆內(nèi)孔→粗車內(nèi)孔→粗車外圓→半精車、精車內(nèi)孔→半精車、精車外圓→夾持左端φ52mm外圓→車右端面→鉆右端內(nèi)孔→粗車內(nèi)孔→粗車外圓→半精車、精車內(nèi)孔→半精車、精車外圓。

原工藝方案中，考慮尺寸精度和內(nèi)孔表面粗糙度要求較高，加之薄壁工件加工變形大等因素，采用內(nèi)孔、外圓交替加工的方法。但在試切削中發(fā)現(xiàn)，左右端接刀處（凹底）存在明顯的接刀痕。左端尺寸精度得到了保證，但右端φ66±0.1mm尺寸難于保證，且加工效率低下。產(chǎn)生明顯接刀痕以及φ66±0.1mm難于保證的原因主要是由于工藝系統(tǒng)剛性不好所引起。由于工件薄，加工變形嚴重，即使在精確找正安裝的前提下，由于左右兩端切削時刀具實際角度（工作角度）不一致，切削力大小不同，容易產(chǎn)生刀痕。薄壁工件裝夾不可避免有裝夾變形，在夾持右端切左端時，由于右端尚未切削，剛性好，裝夾變形可以忽略不計。加之左端伸出長度小，所以左端尺寸能夠得到保證。但在夾持左端外圓車右端時，由于左端已加工成薄壁，必然存在較大的裝夾變形，從而嚴重影響加工精度。加工效率低的原因一是由于粗、精加工分開，頻繁換刀浪費時間，二是受材料切削性不好及刀具規(guī)格限制，吃刀量和進給量小。

二、工藝改進

鑒于原方案裝夾方式不合理，加工效率低下，需從工藝方案、裝夾方式、刀具選擇上進行調(diào)整。

1.改進工藝路線

以右端為粗基準裝夾→車左端面→鉆內(nèi)孔→粗車、半精車、精車內(nèi)孔→粗車左端外圓至φ55×5mm、車臺階φ68×15mm（作為裝夾面?zhèn)溆?，如圖2）→半精車、精車φ530-0.05×5mm至尺寸→夾持左端φ68×15mm外圓→車右端面→鉆右端內(nèi)孔→粗車、半精車、精車內(nèi)孔→夾左端內(nèi)孔，用傘形頂尖頂右端喇叭口（如圖3所示）→粗車、半精、精車外圓至要求。

該工藝路線與原工藝路線的不同之處：將內(nèi)孔、外圓粗精加工分開改為先將內(nèi)孔加工至精度要求，然后再在一次裝夾中加工外輪廓。從理論上講，粗、精加工分開有利于消除加工應(yīng)力和散熱，對保證尺寸精度有利。內(nèi)、外圓加工分階段進行，雖能使內(nèi)孔（內(nèi)孔諸尺寸是主要尺寸，需優(yōu)先保證）粗加工與半精加工、精加工階段隔開一段時間，但由于高溫合金本身傳熱性很差，在有限的時間里散熱效果不明顯。新方案在外圓未加工的情況下先加工內(nèi)孔，工件剛性好，夾緊力、切削力對內(nèi)孔尺寸精度的影響很小，十分有利于保證內(nèi)孔尺寸精度。再加上加工內(nèi)孔時充分澆注切削液，尺寸精度合格率大幅度提高。

2.改變裝夾方式

原方案中，切削右端內(nèi)孔和外圓時，需要夾持左端φ52mm外圓，該外圓左端還有一個小凸緣，需對內(nèi)卡爪進行改造才能方便裝夾。另外裝夾部位屬于薄壁件，容易產(chǎn)生裝夾變形。如果為防止變形而在孔內(nèi)加脹緊裝置，由于左端內(nèi)孔空間狹小，設(shè)計工裝難度很大。圖 3是工藝路線改進后車外圓及外圓弧面示意圖。先車好左、右端內(nèi)孔。然后采用“一夾一頂”的方式進行裝夾。即左端以工件左端面及φ45mm孔為定位基準，用反卡爪裝夾，右端用傘形頂尖頂住喇叭口。然后對外圓、外圓弧面進行粗車、半精車和精車。比夾持左端外圓交替車右端內(nèi)、外圓弧面裝夾更為可靠，工件不會抖動，工藝系統(tǒng)剛性也大大增加。

3.改變刀具

原方案中，在加工左右錐管時，都是先用φ6mm麻花鉆鉆孔（鉆過窄喉），然后改用內(nèi)孔車刀車孔。由于內(nèi)孔直徑最小處僅 φ7.89mm，內(nèi)孔車刀刀桿直徑受限，而伸出長度較長，在切削力作用下易彎曲變形，因而切削速度、背吃刀量和進給速度均取小值，加工效率低下。

新方案對此作了兩點改進。

圖3　采用“一夾一頂”方式裝夾車外圓（?。┟妗　　　?/p>

圖4　采用三種規(guī)格鉆頭預(yù)鉆孔　

一是采用多種規(guī)格麻花鉆鉆孔。如圖4所示，以右端孔加工為例，先用φ35mm麻花鉆鉆孔至46mm深，改用φ20mm麻花鉆鉆孔至54mm深，最后才用φ6mm麻花鉆鉆孔至窄喉處。一方面φ6mm鉆頭實際鉆削深度由65mm減小至11mm，大大減小了鉆頭折斷幾率；另一方面，利用了鉆頭剛性好，切削效率高的特點盡可能多地去除余量，提高效率，并為內(nèi)孔車刀車孔創(chuàng)造較充分的進、退刀空間。鉆孔時采用多次進刀切削方式，利用鉆頭的往復(fù)進出帶入切削液，使刀具和工件充分冷卻，延長鉆頭使用壽命。

二是對內(nèi)孔車刀進行改進。該工件除窄喉外，其他部分的內(nèi)孔加工可以采用機夾可轉(zhuǎn)位刀進行粗加工和半精加工，而窄喉處的加工需要采用自制刀具（因尺寸小，市售可轉(zhuǎn)位刀片無此規(guī)格）。窄喉處粗加工、半精加工完成后，再用自制刀具沿窄喉處向外一次精加工完成全部內(nèi)圓弧面（這樣有利于保證表面質(zhì)量）。原方案中，為適應(yīng)窄喉處尺寸，采用了φ6mm硬質(zhì)合金棒磨出切削刃。雖然硬質(zhì)合金刀桿比工具鋼、高速鋼刀桿剛性好得多，但伸出長度太長（超過65mm），剛性仍嫌不足，加工中易產(chǎn)生振動。這里對內(nèi)孔車刀刀桿進行了改進。將φ6mm刀桿保留25mm長，將其焊接在20×20mm的標準刀桿上，焊接前，在標準刀桿端部中心處鉆一個φ6.1×10mm孔，將φ6mm硬質(zhì)合金刀桿插入孔中再進行焊接。焊接內(nèi)孔車刀外形如圖5中件2所示。這樣改進后的刀具剛性增加，減小了切削過程中車刀的振動。

圖5　內(nèi)孔車刀采用不等粗刀桿

4.選擇適當?shù)那邢鲄?shù)

車削高溫合金材料比切削一般碳素鋼困難得多，切削速度一般取 10m/min左右，進給量一般取f=0.1-0.3mm/r左右［3］。由于工件徑向尺寸變化大，為了使工件表面粗糙度一致，數(shù)控編程時，應(yīng)加入恒線速度切削功能指令。在切內(nèi)孔時，內(nèi)孔車刀伸出長度長，散熱不便，編程和加工前更應(yīng)注意優(yōu)化參數(shù)。經(jīng)核算及反復(fù)試驗，實際加工中使用的刀具幾何參數(shù)、切削參數(shù)見表1。

表1　噴嘴加工刀具及切削參數(shù)

三、加工中應(yīng)注意的問題

加工中應(yīng)注意以下問題：

（1）工件切削加工中加工硬化現(xiàn)象嚴重，采用了正前角、正后角刀刃，使刀刃鋒利。當?shù)度凶冣g時，將嚴重影響切削效果和刀具壽命，此時需要及時刃磨或更換新刀。

（2）精車內(nèi)孔時，為便于切屑流出，采用從里往外走刀。

（3）由于零件徑向尺寸變化大，數(shù)控編程時，對內(nèi)、外表面的精加工應(yīng)加入恒線速度切削功能，使得各處切速速度一致，從而得到均勻一致的表面粗糙度。

（4）外圓凹槽深，限制了刀具主偏角、副偏角選擇范圍，新方案采用了左右接刀法加工。如左右兩部分不同軸，仍會產(chǎn)生明顯的接刀痕。故在調(diào)頭裝夾時，應(yīng)仔細找正?？稍谌齻€不同部位打三次表，減小安裝誤差，提高零件左、右兩端同軸度。

（5）加工外圓時，采用了“一夾一頂”裝夾方式。如圖3所示，為防止反卡爪、傘形頂尖對φ45表面及喇叭口的擠壓變形，在反卡爪和傘形頂尖上加銅皮裝夾。

四、結(jié)語

經(jīng)過工藝改進，該工件在單件小批量、采用工序集中原則加工時，可采用 CK6140六刀架的數(shù)控車床加工，此時鉆預(yù)孔需要利用尾架手動進行，其工效可由原來的16小時/件左右提高至4小時/件左右。在批量較大時，可采用車削中心加工，或采用工序分散原則分機臺加工，則工效還可大幅度提高。

［1］劉維偉，張拉拉，單晨偉等.GH4169高溫合金銑削力試驗研究［J］機械設(shè)計與制造，2011（1）.

［2］杜隨更，汪志斌，呂超等.高溫合金高速銑削表面形貌及組織研究［J］.航空學報，2011（6）.

［3］吳國君.高溫合金數(shù)控加工工藝參數(shù)選用［J］.制造技術(shù)研究，2008（5）.

（責任編輯 王傲冰）

Turning Technology Improvement for Small Diameter Heatresistant Alloy Nozzle

HU Xiang-yun

（Hubei Polytechnic Institute, Xiaogan, Hubei 432000, China）

When turning a small diameter thin wall heatresistant alloy nozzle，the cutting force is large，the working hardening phenomenon is serious，the workpiece is easy to deform，the tool'service life is short，and the processing efficiency is low.The original process was improved.An anti clamping jaw and an umbrella lathe center were used for clamping the workpiece to turning its outer cylindrical surface.It reduced the clamping deformation and ensured the working accuracy.Three specifications of the drilling bit was used for drilling pre-drilled cavity.It improved the processing efficiency.The endoporus cutter bar was welded with unequal size steel materials.It improved the rigidity of the tool.The geometric parameters and cutting parameters of each tool are given in this paper.

heatresistant alloy steel；alloy nozzle；turning technology

TG54

A

1008—6129（2016）01—0080—05

2015—12—10

胡翔云（1966—），湖北孝昌人，湖北職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，教授、高級工程師。