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1、第 9 页2012-6-8低压一级内环车削的工艺改进【摘要】：本文针对低压一级内环精加工工序工艺改进过程进行分析和论证，通过改制夹具，改进加工路线和切削用量，使零件加工达到了零件图纸要求。【关键词】：高温合金、薄壁件、易变形、工艺路线 前 言低压一级内环是航空发动机上一重要零件。该零件材料为GH1140，是铁镍基高温合金，毛坯是锻坯，最大旋转直径为346mm,最长为22mm,最薄处为1.2mm，该零件属于典型薄壁旋转件,具体见图一。由于其材料和形状的特殊性，在前几批加工中许多尺寸和技术要求超差，严重影响了零件的交付。在工艺部门的指导下，根据前几批加工情况，以及零件特性和变形情况，重新改制了夹具
2、，改进了原来的加工路线和切削用量，使以后所加工零件都达到了零件图纸要求。本文针对低压一级内环精加工工序工艺改进过程进行分析和论证。图一一、 工艺流程及出现的问题1、原工艺流程简介0工序 毛坯-10-30工序 粗车-40工序 稳定处理-45-50工序 半精车-55工序 磨工-60-70工序 精车-75工序 磨工-80工序 拉工-90工序 钳工-100工序 标印s-110工序 检验。1.1图二所示粗实线为60工序所加工的尺寸。1.2 A为支靠面，B为定位面，C为压紧面。1.3 改进前本精加工工序加工完后出现如下问题；因为没有专用夹具，使零件在自由状态下产生较为严重变形，如：尺寸1.50.05的支靠
3、面上变形量最大的有0.14mm，锥面上的椭圆最大的达到0.28-0.35mm。60工序加工内容：图 二1.4 图三所示粗实线为70工序所加工的尺寸1.5 B面为支靠面。C面为定位面。D面为压紧面。二、加工中出现的问题1、夹具装夹时引起零件的变形。2、壁厚尺寸的局部超差3、长度尺寸15.70.1，16.70.1，外圆尺寸 的局部超差，同轴度达不到工艺要求。 70工序加工内容图三图 三三、工艺分析1、零件材料的分析 该零件材料为GH1140，为铁镍基高温合金，高温合金又称耐热合金，或热强合金，能在600850的高温氧化及燃气腐蚀条件下工作，具有优良的热强性能、热稳定性能。其热强性取决于组织稳定性及
4、原子间的结合力，这是由于在铁镍基中加入了高熔点的Cr、W、Mo、Ti、Nb等元素，原子间结合力大。另外，高温合金是航空、航天工业的重要结构材料。1 高温合金的可切削性机理 1 1 成分、 金相组织对可切削性的影响 高温合金的基体是高熔点的合金元素， 如铁、 镍、 铬、 钴等， 根据其中一种金属占优势， 而具有铁基 高温合金、 铁镍基高温合金、 镍基高温合金、 钴基高 温合金等名称。 组成高温合金的合金元素还有很多种， 包括金 属和非金属合金元素， 这些合金元素在高温合金中 可形成硬度高的化合物， 有的是碳化物， 如碳化钛 ( T i C ) 、 碳化钒( V C ) 、碳化铌( N b C )
5、 、 碳化钨( WC ) 等， 碳化物的显微硬度达 2 4 0 03 2 0 0 H V 。有的是氮化 物， 如氮化钛( T i N) ， 氮化钒( v N) ， 氮化铌( N b N) 等， 氮化物的显微硬度更高， 莫氏硬度达 8 9 。有的是相间化合物， 如铬化铁( F e C r ) 、 铬化钴( C o C r ) 、 钼铬 化铁( F e C r M o ) 等， 相间化合物的硬度也很高， 显微硬 度达 1 0 0 01 3 0 0 H V 。此外， 还有 A l 2 和 s i ( ) 2 等相间硬质点。有的合金元素又熔人固溶体中 使基体得到强化， 例如铝、 钛在镍基奥氏体中形 、
6、 而弥 散分布的金属间化合物 7 ， 即 N b A l ， T i 强化基 体。钨、 钼， 铌、 钽等元素则进入这些化台 组织 复杂化， 又析出它们的碳化物， 硼、 锆等元永1 J ! l J 强化 晶界。所有这些作用都使合金的高温强 提高。 由于高温合金的成分和组织特性， 可切削性 很差， 以4 5号钢的可切削性为 1 0 0 ， 高m合金的相 属材料中可切削性极差的一种。 高温合金的抗热性愈高， 其可切削性愈謦。合 金的抗热性与合金中的强化相的百分含量成直线关 系， 合金中强化相愈多其分散程度愈商 合金的抗热 性就愈高。因此 ， 强化相含量较高的合会就具有较 低的可切削性， 如 GH3
7、4 GH3 6 GH1 3 2 GH1 3 5 乙H1 4 0 GH3 0 GH3 3 GH3 7 GH4 9 部分高温合金的可切削性由易到难的J l I j l 序， 随抗热性的提高可切削性下降。 高温合金可切削性差的原因又可归纳为以 F 几 个方面：其切削加工性能表现在以下几个方面：1.1切削力大。在切削加工过程中，由于其材料强度高，尤其是热强性高，抗塑变能力强，切削过程中冷作硬化严重，工件是未变形口 勺 材料， 切屑 是已塑性变形的材料 ， 即切削过程中伴随有塑性变 形。对高温合金来说 ， 由于含有高熔点的激活能大 的元素， 这些元素的原子在合金内比较稳定， 其原子 脱离平衡位置所需要给
8、予的能量很大， 即塑性变形的抗力大， 因此使得切削加工的切削力增大， 其切削 力比一般钢材高 23倍， 并且摩擦系数高， 切削热 也随之增大。 1.2切削温度高。高温合金的变形抗力大， 切削加工时使切削热 增大。又因为合金的导热率很低， 各种高温合金的 导热系数 =0 0 34 1 8 W m 左右， 仅为铁的 1 6 ， 铝的 1 1 0 ， 传热困难， 使已变形层( 切屑和被加工 零件) 内热量高度集中， 造成切削温度很高， 一般可 达 1 0 0 0 左右。在高温下会增加刀具材料的扩散磨损， 使刀具材料变得脆弱， 其磨损程度随温度增大而增大。 高温合金的切削温度很高， 并且它在高温下仍
9、具有较高的机械性能( 如强度、 硬度等) ， 使高温合金 工件与刀具材料之间在高温下的机械性能差距减 小， 加速刀具的粘结磨损。 高温合金切削加工时发出的大量热量还会增高 零件的温度， 使尺寸和形状发生变化，切削高温使工件产生热变形大，影响工件的加工精度。1.3其材料加工硬化严重。切削高温合金时， 已加工表面上的加工硬化现 象较严重， 表面上的硬度比基体要高 5 0 1 0 0 。 这是因为高温合金的软化温度高和软化速度低， 因 此在塑性变形时出现硬化机理。从高温合金的金相 结构上分析， 合金中含有大量强化相的碳化物或金 属间化合物溶于奥氏体固溶体中， 从而使固溶体强 化。切削加工过程中， 由
10、于切削热很高， 在高的切削 热作用下， 这些强化相( 碳化物或金属间化合物) 从 固溶体中分解出来， 并呈极细的弥散相分布， 使强化 能力增加， 从而产生加工硬化。切削过程中高温合金硬化程度高，当基体硬度在HBS255时，其表层硬度比其基体硬度高50%100%，因此使刀具磨损加剧，降低了刀具使用寿命。1.4刀具磨损快。在中、低速条件下切削时，容易出现刀具粘结磨损，而在高速切削时，由于高温的影响，刀具扩散磨损加剧。1.5切屑硬而韧，不易折断，造成切削过程中切屑处理困难。综上所述，可知它是一种切削性能差的材料。2、引起零件变形的原因：2.1零件壁薄，刚性差；2.2拼装夹具压板分布不合理；试制时实际
11、夹具的夹紧与其支靠的地方形成一夹角，当压紧零件时，压板与支靠面不在同一处，压紧力不均匀，使其零件变形、夹紧力越大变形就越大。2.3加工应力引起变形；零件支靠面不平，压紧时引起变形，主要是粗加工时残余在零件内的应力，当零件精加工时残余内应力释放而引起的变形。解决问题的办法是精加工前进行一次稳定处理，尽可能的消除粗加工时残余在零件内的应力。2.4是零件在加工中加工顺序不合理，易引起变形。主要是受吃刀量偏大，刀具角度不合理和散热、冷却条件等因素的影响。3、粗加工时刀具磨损大，主要是因为切削三要素不合理。而切削用量三要素对切削温度的影响程度各不相同，其中，切削速度影响最大，进给量次之，切削深度影响最小
12、；再有切削用量中，对刀具耐用度的影响最大的是切削速度，其次是进给量、影响最小的是切削深度。因此粗加工时，首先就考虑选择尽可能大的切削深度，其次选择较大的进给量，最后确定少的切削速度。因此，粗加工时，要尽量达到高的生产率同时、保证刀具耐用度；粗加工的时间太长，随着切削时间的增加，刀具磨损逐渐增大，刀具磨损后，切削力也就增大切削温度就升高、变形就大。4、长度尺寸15.7，17.6处预留余量太多（34mm），导致刀具精车时，刀具切入余量太多，故刀具与工件端面接触面积过大，从而导致零件因轴向切削力太大，壁厚又太薄而变形，致使零件后部的壁厚不均匀而局部超差。5、冷却条件对切削温度影响也很大，因此要选用冷
13、却效果好的冷却液以及冷却流量速度要大。6、尺寸控制不准的原因6.1刀具中心不准，对车削加工没有益处，特别对于被切平面或车削无孔端面的轴心处不允许有凸痕和切断或端面车削，以及对除圆柱形之外的其他轮廓形状工件所进行的精加工，都要求将车刀的刀尖中心高度误差严格控制在工件精度允许的范围内，以免产生如圆锥表面的双曲线误差或成型表面的线轮廓度误差等误差。6.2刀尖园弧损耗，也影响零件变形控制不准，故精加工时一定要保持刀具锋利。6.3测量不准造成进刀不准，从而影响尺寸加工精度。解决方法一般在尺寸准确的地方反复测量，来确定其进刀量。6.4工件壁薄，车削时容易产生热变形，不易控制工件的尺寸精度。四、解决措施1、
14、零件修改后工艺流程简介0工序 毛坯-10-30工序 粗车-40工序 热处理-45-50工序 半精车-55工序 磨工-60工序 精车-65工序 钳工-70工序 精车-75工序 磨工-80工序 拉工-90工序 钳工-100工序 标印-110工序 检验2、改进前后的对比2.1原有工艺安排由于60工序和70工序都是精车工序，在加工过程中都是因为没有专用夹具，都只能使用拼装夹具，所以在装夹就产生了使工件变形的因素，特别是当60工序加工完尺寸1.50.05接好R1.50.5后，在自由状态下检查时，工件左端的整个面的变型量在0.120.17mm之间，而整个内锥的跳动在0.280.35mm左右，由于变形的原因，给以后70工序中的尺寸加工带来严重的技术条件的隐患。2.2在加工70工序时也是由于工件的装夹原因产生的变形，更主要的是由于零件的壁厚仅为 较薄，而粗车时留给精车的长度余量较大，虽然经过反复吃刀，仍然产生了较大的切削应力变形，再加上60工序支靠面有0.12的变形，所以在
