燃油复杂壳体微孔加工技术研究与应用

发表时间:2021/8/11   来源:《电力设备》2020年第34期   作者:成普霞 李峰 李栋
[导读] 摘要:随着产品的更新换代,零件结构越来越复杂,航空产品为了改善产品性能,增加一些微孔(φ0.05-φ2.5)特征,对于微孔特征,现场工人尚无加工经验可借鉴,加工过程中,只能凭借自身经验操作,导致质量不稳定,合格率低,加工效率低,严重影响产品的加工周期。

        (中国航发西安动力控制有限公司  陕西西安  710077)
        摘要:随着产品的更新换代,零件结构越来越复杂,航空产品为了改善产品性能,增加一些微孔(φ0.05-φ2.5)特征,对于微孔特征,现场工人尚无加工经验可借鉴,加工过程中,只能凭借自身经验操作,导致质量不稳定,合格率低,加工效率低,严重影响产品的加工周期。针对本分厂加工壳体的复杂性,微孔加工的多样性,本文展开对微孔加工方法的论证和研究。
        关键词:微孔;刀具;材料;参数;工艺
        引言:
        在新产品中,微孔结构越来越多,对于微孔的加工,暂时还停留在手工加工,加工时,难度大,周期长,合格率低,影响产品交付,客户满意度低。
        1 问题点
        目前主要以手工作业为主,使用组合夹具,在钻床上加工,完全凭借自身加工经验,刀具的使用寿命短,无法满足零件批量加工的需求,现阶段的加工方式已成为影响零件交付时的瓶颈点,因此必须探索一种高效稳定的加工方法,提高微孔的加工效率,缩短零件的交付周期。
        2 问题分析
        直径为(φ0.05-φ2.5)的小孔称为微孔,微孔加工一直是企业关注的重点,据统计目前微孔的加工方法大概有50多种,不同的加工方法适用于不同的加工材料、不同孔径精度、不同的粗糙度和不同的微孔直径。机械制造业常见的微孔加工的方法有:钻孔、磨孔、电火花打孔、超声波打孔及水喷射加工等,以上加工方法由于价格昂贵,成本高,不适用于壳体的微孔加工,目前壳体零件的微孔加工主要采用钻孔方式加工。
        微孔钻削工艺分析:
        钻削加工方法具有生产率高,不受材料及导电性能等特点,加工出的微孔长径比大,表面质量好、          精度高。但在微孔钻削加工时仍存在以下问题:
        1)微钻直径极小,在制造和刃磨时加工都比较困难,装夹时容易偏斜;
        2)微钻直径尺寸小无法使用钻套;
        3)微钻钻心厚度薄、强度低、刚性差抗扭抗弯差,横向稳定性差,易折断;
        4)钻削加工时,容屑空间小,排屑困难,冷却不充分;钻刃部分容易磨损,因此,根据微孔钻削的机理及钻削过程与普工钻削有着本质的区别,为解决微小孔钻削加工技术难题,需从工艺方法、刀具设计、加工方法等方面进行研究验证。
        本车间部分经常加工的典型的带有微孔特征的壳体零件,位置比较深,孔的公差也比较严格,在加工过程中也很难保证。
        3 工艺加工方法
        目前我分厂所使用的微孔加工方法主要有两种:手动钻削加工和加工中心钻削加工两种加工方式。
        表1 微孔加工的优、缺点比较

        对比手工与加工中心加工微孔的优缺点,以及数控设备的普遍使用,及加工效率和控制产品的加工质量,
        因此在加工过程中优选加工中心加工微孔。
        4 刀具设计
        4.1 刀具的选择
        目前针对钻削过程中使用最多的刀具是麻花钻,麻花钻是从实体材料上加工出孔的刀具,又是孔加工刀具中应用最广的刀具。麻花钻是通过其相对固定轴线的旋转切削以钻削工件的圆孔的工具,因其容屑槽成螺旋状而形似麻花而得名。
        麻花钻优点:结构简单制造成本低,前角小,钻刃检查方便,有容屑槽,能够轻易将铝屑排出。
        麻花钻缺点:钻出孔的形状误差较大,孔的精度低,表面粗糙度差。
 
        图1 刀具示意图
        4.2 刀具材料
        目前,对于微孔钻削使用的微钻,常用的材料有:高速钢和硬质合金,硬质合金作为加工工业的牙齿当然是微钻首选的材料,加之微钻本身直径小,刚性差,硬质合金的选用,直接可以提高微钻在钻削过程中的钻头的刚性,因此选择硬质合金材料加工微孔是,微钻的首选材料,以下是某产品在试验加工过程中,采用不同材料的刀具,加工微孔的实验对比。
        表2 不同材料试验结果对比

        4.3 顶角
        所有钻头的顶角一般为118°,但对于不同的材质需要选定不同的加工角度,材料质越软,越容易切削的材料,微钻顶角应角度应制造的相对较小,反之,切削硬材料,钻削角度应相应的增大。壳体的材料主要是铝材料因此选用顶角应相应的偏小,经过试验验证,加工壳体类零件,微钻顶角的选用110°(见图3)
        4.4 芯厚尺寸控制
        芯厚尺寸是影响钻头的刚性和切屑处理的重要因素,钻削过程中,钻头的芯厚直接决定,加工过程中刀具的刚性,芯厚越小,轴向切削力越小,但刚性越差,微钻,本身芯厚就比较小,因此在提高钻削刚性时,必须加大芯厚这样才能,提高切屑力。它是影响钻头刚性和切屑处理的重要因素,根据用途设定,一般麻花钻钻芯厚度dc=(0.125~0.2)do;do钻头直径,对于微孔加工,麻花钻的钻芯厚度按dc=(0.15~0.2)do。
        4.5 刀具刃带
        钻削过程中,刃带的宽度与孔壁摩擦力成正比,摩擦力的大小影响孔的导向性因此刃带的宽度直接影响孔的加工质量,微孔加工时,由于受刀具直径的影响,在不影响孔的质量情况下,应适当减少摩擦力。
        5 加工参数
        钻削过程中,切削参数直接影响产品的加工质量,因此在微孔加工中,必须严格控制切削三要素:转速、进给和切削深度。
        5.1 主轴转速
        微小孔钻削时,钻削速度的控制,在严格要求主轴回转误差的基础上,需要采用较高的主轴转速,且速度越高,孔壁表面质量越好,随着高速电机、电主轴等装备的出现,使得微孔钻削的速度不断提高。经过钻加工中心上反复试切削,在完全满足孔的加工要求的前提下,主轴转速的控制范围1500-2500r/S。
        5.2 进给速度和切削深度
        微孔钻削过程中,刀具直径小、强度低、刚性差,抗扭矩能力不高,为减少切削力,进给速度不宜过大,为利于排屑和冷却,延长刀具寿命,每次切削深度也不能过大,目前,对于壳体中微孔的参数,实践证明进给速度优选的范围 15-60 每次切削深度的优选范围:0.05mm-0.25mm。
 
        6 推广应用
        该微孔加工方法,已在本分厂XXX、XXX型号的零件上应用,加工质量稳定,效率提升明显,能够完全满足设计要求。后续将推广应用至所有壳体零件的微孔加工。

        推广措施:
        1、程序固化;
        2、制定微孔加工作业标准指导说明书;
        3、现场班前会宣贯;
        参考文献
        [1] 制造业质量检验员手册/梁国明主编.北京:机械工业出版社,2003.9.
        [2] 材料加工新技术与新工艺.北京冶金工业出版社,2004.3.
        [3] 工件磨削速算.北京:机械工业出版社,2004.2.

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