一種超薄壁厚金屬管類零件的車床精密加工方法
【專利摘要】本發明公開了一種超薄壁厚金屬管類零件的車床精密加工方法，所涉及零件的管徑與壁厚之比超過100，在加工過程中，通過選擇合適的裝夾工具以及合理的加工順序來減小加工過程中工件的整體變形，并在各加工步驟中選擇合適的進刀切削量、選用與之相配的刀具來降低刀具切削時的熱量，減小切削過程中對工件施加的應力。本發明可以有效控制車削加工過程中外力施加在工件上產生的應力變形，使零件切削時產生的內應力得到充分釋放，保證超薄壁厚金屬管類零件加工時的較高尺寸和形位公差要求，并使加工后的零件尺寸變形小、具有長期穩定性。本發明對于特殊領域所迫切需求的小型超薄壁厚管類零件的加工和制造具有普遍的參考意義。
【專利說明】一種超薄壁厚金屬管類零件的車床精密加工方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于機械加工領域，特別涉及一種超薄壁厚金屬管類零件的車床精密加工方法。
【背景技術】
[0002]薄壁管類零件在國民生產的各個行業都有著廣泛應用，特別是在航空航天及軍事等特殊領域，如空間光學系統、低溫制冷機及杜瓦等多種系統及設備中，金屬薄壁管類零件得到大量應用，并起著非常關鍵的作用。而在金屬切削加工以及制造行業中，薄壁管類零件的加工向來是個難點，突出表現為加工成品率低、加工之后的變形量大、穩定性差，該類問題一直是困擾相關加工制造行業的難題之一。航空航天及軍事等特殊應用領域又對薄壁管類零件的壁厚、圓度、圓柱度等提出了非常苛刻的要求，如零件的管徑與壁厚之比常常會超過100，而圓度和圓柱度又在微米量級，在這種情況下，加工過程就變得非常難以控制:一是加工過程中稍有不慎，管壁便會穿破，立即成為廢品，使前期加工前功盡棄；二是在加工過程中稍有偏差，就會造成車削應力得不到完全釋放，導致零件加工之后產生整體變形，特別是圓度和圓柱度產生重大偏差，從而使加工出來的零件失去使用價值。因此，使用精密車床對管徑與壁厚之比超過100的超薄壁厚金屬管類零件的加工時，必須要充分考慮超薄的管壁在車刀切削力的作用下會產生徑向變形，然后采用相應的措施和方法將這一微小變形降到最低，保證零件的尺寸和形位公差處于要求范圍之內，并保證零件加工后的穩定性。遺憾的是，截至目前，國內對這一類管徑與壁厚之比超過100的超薄壁厚的金屬管類零件的有針對性的車床精密加工方法還不多見。
【發明內容】
[0003]鑒于現有技術的不足，本發明提出一種超薄壁厚金屬管類零件的車床精密加工方法。本發明的目的在于，在使用精密車床加工管徑與壁厚之比超過100的超薄壁厚的金屬管類零件時，通過采取合適的方法，控制車削加工過程中外力施加在工件上產生的應力變形，使零件切削時產生的內應力得到充分釋放，從而保證超薄壁厚金屬管類零件加工時較高的尺寸和形位公差要求，并使加工之后的零件尺寸變形小、具有長期穩定性。
[0004]圖1給出了本發明用來作為敘述實例的薄壁管零件的示意圖，其整體為薄壁結構，一端為法蘭結構，其整體結構中的管徑與壁厚之比超過100。所發明的一種超薄壁厚金屬管類零件的車床精密加工方法包括以下步驟:
[0005]步驟一:為坯料準備階段，具體為首先選取外徑大于最終零件最大外徑的圓棒料，加工成如圖2所示的粗坯件5 ;對粗坯件5進行高溫處理工藝，再將經過熱處理的粗坯件5加工到外形輪廓基本與圖紙要求相似的如圖3所示的毛坯件6，毛坯件內孔3和毛坯件外圓2均留有合適的精加工余量，精加工余量的選取為使得車削毛坯件內孔3時有一定的剛性即可，并控制法蘭面23與毛坯件內孔3的垂直度；毛坯件6需要再經過高低溫時效處理，去除其內部的殘余應力，具體處理方法是先將毛坯件6放入液氮內浸泡3小時，然后取出，在室溫下回復到常溫狀態，再放入烘箱內在150度溫度下烘烤3小時，如此循環三遍完成毛坯件6的高低溫時效處理；
[0006]步驟二:為加工法蘭及工藝支撐結構階段，具體為首先采用雙頂針的方式將毛坯件6固定在三爪卡盤9上，如圖4所示，毛坯件法蘭4的一端套在帶錐角的圓棒10上，另一端用壓板11和車床頂針12壓緊，在毛坯件法蘭4的外圓車削出法蘭臺階7，并將毛坯件法蘭4的厚度加工到圖紙要求，毛坯件法蘭4與圓棒10接觸的部分保留下來，形成法蘭凸面8，法蘭臺階7主要用來代替毛坯件法蘭4起到后續加工過程中對毛坯件6的支撐作用；
[0007]步驟三:為鏜削內孔階段，具體為制作內孔夾頭14和夾頭螺母13，利用夾頭螺母13壓緊毛坯件6的法蘭臺階7，使毛坯件6固定在內孔夾頭14上，如圖5所示，用鏜孔刀車削毛坯件內孔3，孔徑大小相比圖紙要求留有一定余量，使毛坯件內孔3靠近毛坯件法蘭4的一端比另一端略大，形成微小錐度；
[0008]步驟四:為車削外圓階段，具體為首先制作一件與毛坯件內孔3的錐度相同的錐形研磨棒15，用錐形研磨棒15研磨毛坯件內孔3，如圖6所示，使錐形研磨棒15與毛坯件內孔3緊密磨合在一起；如圖7所示，將錐形研磨棒15制作有研磨棒外錐角面22的一端與毛坯件法蘭4的一端放置在同一方向，研磨棒外錐角面22插入內孔夾頭內錐面21上，夾頭螺母13壓著毛坯件6的法蘭臺階7擰緊在內孔夾頭14上，毛坯件法蘭4的一端孔徑較大，在夾頭螺母13的擠壓之下，將毛坯件6和錐形研磨棒15緊緊固定在內孔夾頭14上，并在靜摩擦力的作用下，使毛坯件6和錐形研磨棒15同時轉動，確保不會出現打滑現象，在車床頂針12壓緊錐形研磨棒15之后，車削毛坯件外圓2 ;在車削毛坯件外圓2的過程中使用較低的切削速度并保持刀尖鋒利，以減少熱量的產生，防止產生過大的熱膨脹；鑒于大的吃刀量容易使薄壁件產生變形，因此分多層車削，且選用單邊為0.05?0.2mm的吃刀量；刀具的前角要偏大，并選用更小的刀尖圓弧，以使車削時產生的徑向切削力盡可能小，從而使零件在車削過程中產生的變形也相應減小；所有刀具都采用法蘭面23為零點，這樣便于加工過程中對長度尺寸的控制；毛坯件外圓2加工到要求尺寸后，進行打磨拋光，先使用砂紙，由500目砂紙到1500目砂紙逐級進行打磨，最后以2000目的研磨砂用羊毛氈進行拋光，直至達到毛坯件外圓2要求的粗糙度要求；
[0009]步驟五:為車削支撐部件階段，具體為在毛坯件外圓2經過車削和打磨拋光之后，將毛坯件6從車床上卸下來，然后插入法蘭凸面夾頭16，如圖8所示，夾頭螺母13壓著毛坯件6的法蘭臺階7，將毛坯件6固定在法蘭凸面夾頭16上，車削法蘭面23上的法蘭凸面8，將法蘭面23的端面車平，并將毛坯件法蘭4加工到圖紙要求的厚度；將套管18壓在毛坯件法蘭4上，壓緊螺桿19穿過套管18，將套管18和毛坯件6 —起固定在法蘭臺階夾頭17上，如圖9所示，套管18和法蘭臺階夾頭17的外圓均小于毛坯件法蘭4的外圓，將法蘭臺階夾頭17固定在車床的三爪卡盤9上，車削并去除毛坯件法蘭4上的法蘭臺階7，使毛坯件法蘭4的外圓尺寸達到圖紙要求；
[0010]步驟六:為修整內孔階段，具體為在毛坯件法蘭4車削完成之后，切削加工階段即已完成，剩余毛坯件內孔3的微小錐度需要通過研磨的方式去除，并打磨拋光，使毛坯件內孔3的粗糙度達到圖紙要求:具體方法是制作一件沒有錐度的內孔研磨棒20，其外徑比毛坯件內孔3的孔徑略小，用內孔研磨棒20對毛坯件內孔3進行研磨，如圖10所示，去除毛坯件內孔3的錐度，并選用2000目金剛砂對毛坯件內孔3進行拋光處理。
[0011]本發明的優點在于:
[0012]I)針對管徑與壁厚之比超過100的超薄壁厚金屬管類零件因管壁太薄而極易引起徑向變形的特點，在使用精密車床進行加工時，從坯料準備、加工法蘭及工藝支撐結構、鏜削內孔、車削外圓、車削支撐部件、修整內孔六個步驟進行處理，每一步驟中無論是夾具的選擇，還是刀具的運用，甚至每一次被吃刀量的選取，都緊緊圍繞著如何盡可能減少徑向變形來進行；
[0013]2)通過選擇合適的裝夾工具以及合理的加工順序來減小加工過程中工件的整體變形，并根據加工工件的材料屬性在各加工步驟中選擇合適的進刀切削量、選用與之相配的刀具來降低刀具切削時的熱量，減小切削過程中對工件施加的應力；
[0014]3)通過控制車削加工過程中外力施加在工件上產生的應力變形，使零件切削時產生的內應力得到充分釋放，從而保證超薄壁厚金屬管類零件加工時的較高尺寸和形位公差要求，并使加工之后的零件尺寸變形小、具有長期穩定性；
[0015]4)本發明介紹的方法，對于管徑與壁厚之比超過100的超薄壁厚金屬管類零件的車床精密加工方法具有很強的針對性。本發明對于特殊領域所迫切需求的小型超薄壁厚管類零件的加工和制造具有普遍的參考意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明用來作為敘述實例的薄壁管零件的示意圖；
[0017]圖2為粗坯件5的剖視圖；
[0018]圖3為毛坯件6的剖視圖；
[0019]圖4為車削法蘭及工藝支撐結構時的裝夾示意圖；
[0020]圖5為鏜削內孔時的裝夾示意圖；
[0021]圖6為研磨棒研磨錐形內孔時的裝夾示意圖；
[0022]圖7為車削外圓時的裝夾示意圖；
[0023]圖8為車削法蘭凸面8時的裝夾示意圖；
[0024]圖9為車削法蘭臺階7時的裝夾示意圖；
[0025]圖10為研磨內孔時的裝夾示意圖。
[0026]其中:1為薄壁管零件；2為毛還件外圓；3為毛還件內孔；4為毛還件法蘭；5為粗還件；6為毛還件；7為法蘭臺階；8為法蘭凸面；9為三爪卡盤；10為圓棒；11為壓板；12為車床頂針；13為夾頭螺母；14為內孔夾頭；15為錐形研磨棒；16為法蘭凸面夾頭；17為法蘭臺階夾頭；18為套管；19為壓緊螺桿；20為內孔研磨棒；21為內孔夾頭內錐面；22為研磨棒外錐面；23為法蘭面。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖及實施例對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明:
[0028]圖1給出了本發明用來作為敘述實例的薄壁管零件的示意圖，其整體為薄壁結構，一端為法蘭結構，其整體結構中的管徑與壁厚之比為130。所發明的一種超薄壁厚金屬管類零件的車床精密加工方法包括以下步驟:
[0029]步驟一:為坯料準備階段，具體為首先選取外徑大于最終零件最大外徑的圓棒料，加工成如圖2所示的粗坯件5 ;對粗坯件5進行高溫處理工藝，再將經過熱處理的粗坯件5加工到外形輪廓基本與圖紙要求相似的如圖3所示的毛坯件6，毛坯件內孔3和毛坯件外圓2均留有合適的精加工余量，精加工余量的選取為使得車削毛坯件內孔3時有一定的剛性即可，并控制法蘭面23與毛坯件內孔3的垂直度；毛坯件6需要再經過高低溫時效處理，去除其內部的殘余應力，具體處理方法是先將毛坯件6放入液氮內浸泡3小時，然后取出，在室溫下回復到常溫狀態，再放入烘箱內在150度溫度下烘烤3小時，如此循環三遍完成毛坯件6的高低溫時效處理；
[0030]步驟二:為加工法蘭及工藝支撐結構階段，具體為首先采用雙頂針的方式將毛坯件6固定在三爪卡盤9上，如圖4所示，毛坯件法蘭4的一端套在帶錐角的圓棒10上，另一端用壓板11和車床頂針12壓緊，在毛坯件法蘭4的外圓車削出法蘭臺階7，并將毛坯件法蘭4的厚度加工到圖紙要求，毛坯件法蘭4與圓棒10接觸的部分保留下來，形成法蘭凸面8，法蘭臺階7主要用來代替毛坯件法蘭4起到后續加工過程中對毛坯件6的支撐作用；
[0031]步驟三:為鏜削內孔階段，具體為制作內孔夾頭14和夾頭螺母13，利用夾頭螺母13壓緊毛坯件6的法蘭臺階7，使毛坯件6固定在內孔夾頭14上，如圖5所示，用鏜孔刀車削毛坯件內孔3，孔徑大小相比圖紙要求留有一定余量，使毛坯件內孔3靠近毛坯件法蘭4的一端比另一端略大，形成微小錐度；
[0032]步驟四:為車削外圓階段，具體為首先制作一件與毛坯件內孔3的錐度相同的錐形研磨棒15，用錐形研磨棒15研磨毛坯件內孔3，如圖6所示，使錐形研磨棒15與毛坯件內孔3緊密磨合在一起；如圖7所示，將錐形研磨棒15制作有研磨棒外錐角面22的一端與毛坯件法蘭4的一端放置在同一方向，研磨棒外錐角面22插入內孔夾頭內錐面21上，夾頭螺母13壓著毛坯件6的法蘭臺階7擰緊在內孔夾頭14上，毛坯件法蘭4的一端孔徑較大，在夾頭螺母13的擠壓之下，將毛坯件6和錐形研磨棒15緊緊固定在內孔夾頭14上，并在靜摩擦力的作用下，使毛坯件6和錐形研磨棒15同時轉動，確保不會出現打滑現象，在車床頂針12壓緊錐形研磨棒15之后，車削毛坯件外圓2 ;在車削毛坯件外圓2的過程中使用較低的切削速度并保持刀尖鋒利，以減少熱量的產生，防止產生過大的熱膨脹；鑒于大的吃刀量容易使薄壁件產生變形，因此分多層車削，且選用單邊為0.06mm的吃刀量；刀具的前角要偏大，并選用更小的刀尖圓弧，以使車削時產生的徑向切削力盡可能小，從而使零件在車削過程中產生的變形也相應減小；所有刀具都采用法蘭面23為零點，這樣便于加工過程中對長度尺寸的控制；毛坯件外圓2加工到要求尺寸后，進行打磨拋光，先使用砂紙，由500目砂紙到1500目砂紙逐級進行打磨，最后以2000目的研磨砂用羊毛氈進行拋光，直至達到毛坯件外圓2要求的粗糙度要求；
[0033]步驟五:為車削支撐部件階段，具體為在毛坯件外圓2經過車削和打磨拋光之后，將毛坯件6從車床上卸下來，然后插入法蘭凸面夾頭16，如圖8所示，夾頭螺母13壓著毛坯件6的法蘭臺階7，將毛坯件6固定在法蘭凸面夾頭16上，車削法蘭面23上的法蘭凸面8，將法蘭面23的端面車平，并將毛坯件法蘭4加工到圖紙要求的厚度；將套管18壓在毛坯件法蘭4上，壓緊螺桿19穿過套管18，將套管18和毛坯件6 —起固定在法蘭臺階夾頭17上，如圖9所示，套管18和法蘭臺階夾頭17的外圓均小于毛坯件法蘭4的外圓，將法蘭臺階夾頭17固定在車床的三爪卡盤9上，車削并去除毛坯件法蘭4上的法蘭臺階7，使毛坯件法蘭4的外圓尺寸達到圖紙要求；
[0034]步驟六:為修整內孔階段，具體為在毛坯件法蘭4車削完成之后，切削加工階段即已完成，剩余毛坯件內孔3的微小錐度需要通過研磨的方式去除，并打磨拋光，使毛坯件內孔3的粗糙度達到圖紙要求:具體方法是制作一件沒有錐度的內孔研磨棒20，其外徑比毛坯件內孔3的孔徑略小，用內孔研磨棒20對毛坯件內孔3進行研磨，如圖10所示，去除毛坯件內孔3的錐度，并選用2000目金剛砂對毛坯件內孔3進行拋光處理。
【權利要求】
1.一種超薄壁厚金屬管類零件的車床精密加工方法，其特征在于，所述的方法包括以下步驟: 步驟一:為坯料準備階段，具體為首先選取外徑大于最終零件最大外徑的圓棒料，加工成粗坯件(5);對粗坯件(5)進行高溫處理工藝，再將經過熱處理的粗坯件(5)加工到外形輪廓基本與圖紙要求相似的毛坯件(6)，毛坯件內孔(3)和毛坯件外圓⑵均留有合適的精加工余量，精加工余量的選取為使得車削毛坯件內孔(3)時有一定的剛性即可，并控制法蘭面(23)與毛坯件內孔(3)的垂直度；毛坯件(6)需要再經過高低溫時效處理，去除其內部的殘余應力，具體處理方法是先將毛坯件(6)放入液氮內浸泡3小時，然后取出，在室溫下回復到常溫狀態，再放入烘箱內在150度溫度下烘烤3小時，如此循環三遍完成毛坯件(6)的高低溫時效處理； 步驟二:為加工法蘭及工藝支撐結構階段，具體為首先采用雙頂針的方式將毛坯件(6)固定在三爪卡盤(9)上，毛坯件法蘭(4)的一端套在帶錐角的圓棒(10)上，另一端用壓板(11)和車床頂針(12)壓緊，在毛坯件法蘭(4)的外圓車削出法蘭臺階(7)，并將毛坯件法蘭(4)的厚度加工到圖紙要求，毛坯件法蘭(4)與圓棒(10)接觸的部分保留下來，形成法蘭凸面(8)，法蘭臺階(7)主要用來代替毛坯件法蘭(4)起到后續加工過程中對毛坯件(6)的支撐作用； 步驟三:為鏜削內孔階段，具體為制作內孔夾頭(14)和夾頭螺母(13)，利用夾頭螺母(13)壓緊毛坯件￠)的法蘭臺階(7)，使毛坯件￠)固定在內孔夾頭(14)上，用鏜孔刀車削毛坯件內孔(3)，孔徑大小相比圖紙要求留有一定余量，使毛坯件內孔(3)靠近毛坯件法蘭(4)的一端比另一端略大，形成微小錐度； 步驟四:為車削外圓階段，具體為首先制作一件與毛坯件內孔(3)的錐度相同的錐形研磨棒(15)，用錐形研磨棒(15)研磨毛坯件內孔(3)，使錐形研磨棒(15)與毛坯件內孔(3)緊密磨合在一起；將錐形研磨棒(15)制作有研磨棒外錐角面(22)的一端與毛坯件法蘭(4)的一端放置在同一方向，研磨棒外錐角面(22)插入內孔夾頭內錐面(21)上，夾頭螺母(13)壓著毛坯件￠)的法蘭臺階(7)擰緊在內孔夾頭(14)上，毛坯件法蘭(4)的一端孔徑較大，在夾頭螺母(13)的擠壓之下，將毛坯件(6)和錐形研磨棒(15)緊緊固定在內孔夾頭(14)上，并在靜摩擦力的作用下，使毛坯件(6)和錐形研磨棒(15)同時轉動，確保不會出現打滑現象，在車床頂針(12)壓緊錐形研磨棒(15)之后，車削毛坯件外圓(2);在車削毛坯件外圓(2)的過程中使用較低的切削速度并保持刀尖鋒利，以減少熱量的產生，防止產生過大的熱膨脹；鑒于大的吃刀量容易使薄壁件產生變形，因此分多層車削，且選用單邊為0.05?0.2mm的吃刀量；刀具的前角要偏大，并選用更小的刀尖圓弧，以使車削時產生的徑向切削力盡可能小，從而使零件在車削過程中產生的變形也相應減小；所有刀具都采用法蘭面(23)為零點，這樣便于加工過程中對長度尺寸的控制；毛坯件外圓(2)加工到要求尺寸后，進行打磨拋光，先使用砂紙，由500目砂紙到1500目砂紙逐級進行打磨，最后以2000目的研磨砂用羊毛氈進行拋光，直至達到毛坯件外圓(2)要求的粗糙度要求； 步驟五:為車削支撐部件階段，具體為在毛坯件外圓(2)經過車削和打磨拋光之后，將毛坯件(6)從車床上卸下來，然后插入法蘭凸面夾頭(16)，夾頭螺母(13)壓著毛坯件(6)的法蘭臺階(7)，將毛坯件￠)固定在法蘭凸面夾頭(16)上，車削法蘭面(23)上的法蘭凸面(8)，將法蘭面(23)的端面車平，并將毛坯件法蘭(4)加工到圖紙要求的厚度；將套管(18)壓在毛坯件法蘭(4)上，壓緊螺桿(19)穿過套管(18)，將套管(18)和毛坯件(6) —起固定在法蘭臺階夾頭(17)上，套管(18)和法蘭臺階夾頭(17)的外圓均小于毛坯件法蘭(4)的外圓，將法蘭臺階夾頭(17)固定在車床的三爪卡盤(9)上，車削并去除毛坯件法蘭(4)上的法蘭臺階(7)，使毛坯件法蘭(4)的外圓尺寸達到圖紙要求； 步驟六:為修整內孔階段，具體為在毛坯件法蘭(4)車削完成之后，切削加工階段即已完成，剩余毛坯件內孔(3)的微小錐度需要通過研磨的方式去除，并打磨拋光，使毛坯件內孔(3)的粗糙度達到圖紙要求:具體方法是制作一件沒有錐度的內孔研磨棒(20)，其外徑比毛坯件內孔⑶的孔徑略小，用內孔研磨棒(20)對毛坯件內孔(3)進行研磨，去除毛坯件內孔(3)的錐度，并選用2000目金剛砂對毛坯件內孔(3)進行拋光處理。
【文檔編號】B23P15/00GK104400334SQ201410546332
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月16日 優先權日:2014年10月16日
【發明者】黨海政, 周炳露 申請人:中國科學院上海技術物理研究所