本科毕业设计低压一级内环车削的工艺改进.docx

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本科毕业设计低压一级内环车削的工艺改进

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，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。

1.2A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1.5±0.05的支靠面上变形量最大的有0.14mm，Φ

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

1.5B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15.7±0.1，16.7±0.1，外圆尺寸Φ

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600℃～850℃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（TiC）、碳化钒（VC）、碳化铌（NbC）、碳化钨（WC）等，碳化物的显微硬度达2400～3200HV。

有的是氮化物，如氮化钛（TiN），氮化钒（vN），氮化铌（NbN）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（FeCr）、铬化钴（CoCr）、钼铬化铁（FeCrMo）等，相间化合物的硬度也很高，显微硬度达1000～1300HV。

此外，还有Al2和si（）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、而弥散分布的金属间化合物7，即NbAl，Ti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1J!

lJ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45号钢的可切削性为100％，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

GH34—GH36—GH132—GH135—乙H140—GH30—GH33—GH37—GH49

部分高温合金的可切削性由易到难的JlIj『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2—3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=0．03×4．18W／m／℃左右，仅为铁的1／6，铝的1／10，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1000℃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50％100％。

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；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（3～4mm），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、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1.5±0.05接好R1.5±0.5后，在自由状态下检查时，工件左端的整个面的变型量在0.12～0.17mm之间，而整个内锥的跳动在0.28～0.35mm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，所以在自由状态下造成如下后果：

的壁厚尺寸局部严重超差；长度尺寸15.7±0.1，16.7±0.1局部超差；小外圆Φ

的尺寸只能取平均值；大外圆Φ

的尺寸取平均值局部超差。

3、工艺调整说明

针对以上几个方面的原因分析；在保持原60工序和70工序加工内容不变的情况下，作出相应改进。

4.3.1夹具改进

把60工序和70工序的精车工序的夹具由原来的两套拼装夹具合并成一套专用夹具，设计两套压板，夹具设计以工件的Φ

内孔为定位，左端面为支靠面夹具外圆直径应小于Φ

。

60工序装夹示意图

图四

70工序装夹示意图

图五

3.1.1在加工60工序时，由6点支靠改成全面支靠，支靠面经过磨削后达到平面度要求，压紧面和定位面不动，压板压紧时用力均匀。

在加工时，把内型面分粗；精车，严格按顺序加工，先加工远端面，精车时先加工大内孔到尺寸，车内锥面时注意刀具的锋利，最后加工1.5±0.05的尺寸。

加工内孔尺寸Φ

。

长度尺寸17.6±0.1分别加工到Φ

、Φ

17.3±0.1将1.5±0.05的尺寸尽量加工到

左右，因为在压紧状态下此零件的变形还是较小，后面增加一道钳工研磨工序，主要是研磨零件的支靠面，在保证零件壁厚不小于1.5±0.05的情况下，要求零件的平面度在0.02以内。

3.1.2在加工70工序时作如下调整：

参照60工序全面支靠的专用夹具，在压紧面上也作一个全面压紧的专用压板，加工时，首先把尺寸15.7±0.1，17.6±0.1粗车留余量0.5mm0.7±0.12留余量0.5,Φ

Φ

留余量0.6mm,

先加工到1.6mm，3.5±0.05先加工到3.7mm就可以了。

精车时先加工60工序的尺寸因此时余量较少，刀具要求一定要锋利先加工好大内孔尺寸Φ

长度尺寸17.6±0.1接好R1.5±0.5的圆弧，再加工Φ

尺寸，接着加工1.5±0.05接好R1.5±0.5的圆弧，这样加工完后不要卸下工件，接着加工70工序的尺寸，安装时先按70工序的要求安装好，再拆60工序的压紧压板。

加工时先加工长度尺寸17.6±0.1到上差，0.7±0.12尽量到上差，100到尺寸，R1.5±0.5到尺寸，15.7±0.1也尽量到下差，加工壁厚

时要特别注意零件的变形量，进刀时尽量控制进刀量的大小，加工完一刀后及时测量，确定零件变形量的大小。

在加工尺寸3.5±0.05时，因为是支靠面，在加工过程中可以直接加工到尺寸，在接槽内两个R1±0.3时要特别注意保持刀具锋利，尽量控制刀尖圆弧尽可能的小一些，以免圆弧接出来后槽内右端面尺寸15.7±0.1往外倒，这样加工完后还要修尺寸15.7±0.1，17.6±0.1到尺寸。

最后加工外圆尺寸Φ

，Φ

由于其它尺寸都已经加工好，零件很薄，所以在加工零件时，要考虑到零件的变形较大，形位公差非常小（同轴度0.005在机床上检测）为确保零件的尺寸和形位公差合格，就一定要有小的进给量和较锋利的刀具。

五、经过对以上工艺的过程调整和改进，以后几批零件的加工的质量检测，达到如下效果：

1、原夹具经过重新申请后，其夹具的装夹定位方式已符合工艺要求。

解决了因夹具装夹时引起的零件变形。

2、有效地解决了改进前遗留的质量问题，如壁厚

和外圆关键尺寸Φ

和Φ

以及同轴度0.005等技术条件都能达到图纸要求，使零件合格交付率达百分之九十五以上。

3、精车分粗、精车削，使刀具磨损减小。

六、根据零件材料性能、差别及其特征，加工时还要采取以下措施：

1．2热处理改善高温合金可切削性

高温合金的可切削性很差，切削刀具表面上不断增加的接触温度，促使流出的切屑与刀具前面发生粘附、粘结，限制了硬质合金刀具的应用，特别在断续切削的情况下，很难使用。

所以，通常采用高速钢刀具。

可是，将高速钢和高温合金的物理一机械性能联系起来，就不能采用超过38m／min的切削速度，而且刀具的耐用度依然不高。

由此看来，寻求改善高温合金的可切削性的方法是非常迫切的，这种方法借助于特殊热处理来改变合金的组织。

同一种合金因组织状态不同往往引起可切削性的变化很大。

对于含碳化物相的奥氏体相合金，淬火会使可削性显著恶化，而且合金中碳含量愈多，恶化愈甚。

在淬火中，奥氏体被碳合金化，切削时将析出亚显微相，使切削加工时塑性变形的阻力增大，所以主要的切削加工应在热处理前进行。

对于含金属间化合物相的合金则恰好相反，淬火能改善合金的可切削性，第二相（金属间化合物）愈弥散，可切削性愈恶化。

为了使高温合金获得可切削性最好的组织，可进行特殊（补充）热处理。

例如镍基高温合金GH33在1020"（3时加热8小时淬火，在空气中冷却，再在920~C下作16小时时效处理，在空气中冷却。

经过特殊热处理后合金组织相当于已软化状态，强化相的百分含量较小，并且在这样的特殊热处理后，强化相更加凝聚，均匀地分布在固熔体的小晶粒内和晶界上，晶粒也细化，因此可切削性得到了显著的改善，刀具耐用度提高。

2、在加工零件时，选择合理的切削用量从而避免零件表面产生加工硬化；

用YG8车刀对高温合金GH33车削时的切削用量。

（1）切削速度从图5可看出，切削速度V=20m／min时车刀的磨损最小，在切削速度提高或下降时，车刀的磨损量增加，耐用度下降，其原因为：

如果V：

10m／min，切削温度为550—650％，被加工材料的原有硬度变化不大，切削力和单位压力大，刀具磨损剧烈。

如果V=20m／min，即切削温度770—820％时，被加工材料的硬度显著下降，切削力和单位压力小，刀具磨损小。

如果V=30m／min，即切削温度860—925~C时，被加工材料的硬度急剧下降，切削力和单位压力最小，但是在这种温度下，YG8刀片的硬度几乎下降了50％，被加工材料与刀具的粘着作用加强了，反而使刀具磨损急剧增大，车刀耐用度严重地下降。

由此得出结论，切削区域的温度是决定刀具磨损的基本因素。

因此选用最佳切削速度很重要。

（2）走刀量

试验条件：

YG8车刀，y=0。

、口=14。

、=0。

、=45。

；V=20．8m／rain，。

p=0．5mm。

如图6所示，随着走刀量的增大，车刀磨损增大，耐用度下降。

（3）吃刀深度

试验条件：

YG8车刀，y=0。

、口=14。

、=0。

、45。

；V=20．8m／rnin，fl1．0．15mm／r。

如图7所示，在切削深度0．250．75mm范围内，随切削深度增大，磨损增大的程度低，但当o>0．75mm，磨损急剧地增大，耐用度明显下降。

3、保持刀具锋利，改善刀具表面粗糙度，特别要注意刀具中心高；

4、正确选用刀具几何角度，在单刃车削铁镍基高温合金操作中，车刀必须具有正前角，这样金属始终处于切断状态而避免发生挤压过程，如果使用负前角就会产生挤压过程。

正前角的第二个作用就是引导切屑从加工表面脱离。

副切削刃是正前角也是重要的，角度必须保持足够大的空间，同时又能支撑起切削刃。

在切屑控制方面合理的前角，足够的宽度和深度保证产生的切屑卷曲并断屑，而不是呈块状或者节状。

刀尖半径要保持刀尖的强度并且有助于散热，小的刀尖半径和适当的角度能阻止产生断屑粘刀。

断屑的宽度和深度依赖使用的进给速度；切削高温合金时，选择几何角度的基本准则主要考虑的是刀具磨损，即刀具耐用度71。

（1）前角

图：

2为前角与车刀耐用度的关系。

试验条件：

W18Cr4V高速钢车刀，断续车削，后角a=12°，刃倾角=0°；

（1）镍基GH33，V=8m／min，a=1．0mm，f=1．5mta／r；

（2）镍基GH37，V=7m／min，a=1．0mm，

．厂=2．1rrun／r；（3）镍基K1，V=7m／min，ap=1．0mm，f=2．1nma／r。

考虑到车刀几何角度应满足几种在成分和性能方面较接近高温合金的加工条件，三种合金前角值在15°～25°之间较合适。

（2）后角

由于高温合金的高温强度和塑性高、加工硬化大、导热系数小，为了减小刀具后面与加工表面的摩擦，粗车时常采用大值后角，取a=10~～15°

试验条件：

V=7m／min，a=1．0mm，厂=2．1mm／r；高速钢车刀车削高温合金GH33；前角y=15°，=0°，最佳后角值为a=12°。

（3）刃倾角

试验条件：

V：

7m／min，a°：

1．0mm，，：

2．1mm／r；高速钢车刀车削高温合金GH33；前角y：

15°，口=12°，确定的刃倾角值为10°

5、使加工区域充分冷却。

要选用高效冷却以及环保型的冷却液；

6、正确选用刀具材料，切削高温合金时，塑性变形功消耗大，刀具所承受的切削力大，刀具工作表面和切屑接触之间的单位压力增大。

高切削温度和低导热率使刀刃很快粘焊和剥落变钝。

又由于合金内含有大量硬度极高的碳化物或合金化合物的强化相存在，加工过程中已加工表面上的加工硬化现象严重，摩擦系数高，导致刀具的机械磨损很快。

所有这些，使刀具耐用度很低。

刀具耐用度低是切削高温合金的关键问题，而选用合适的刀具材料、合理的刀具几何参数和切削用量对提高刀具耐用度是十分重要的。

6.1刀具材料

切削高温合金的刀具材料要求在高温下有高的硬度、高的耐磨性、高的抗弯强度和冲击韧性、良好的导热性以及抗粘结、抗扩散、抗氧化的能力等。

常用的刀具材料为高速钢和硬质合金两类。

（1）高速钢

在生产中通常采用W18Cr4V高速钢切削高温合金时，耐用度不高，应改用含高钒、高钴的高速钢，图1所示为用W10Cr4V4Co5高速钢断续车削镍基高温合金GH33时的切削速度与耐用度的关系，为了比较，图中列出了W18Cr4V高速钢车刀车削上述合金的切削速度与耐用度的关系。

由图可知，采用W10Cr4V4Co5钢车刀比W18Cr4V钢车刀其耐用度高出1．5～2．5倍。

由于含钴高速钢中含有资源稀少而价格昂贵的钴，因此要优先考虑采用高钒钢。

新型高速钢wl0Mo4cI4V3Al（代号5F6）能保证较高的耐用度，经过在生产中使用，证实了它的耐用度与含钴高速钢相近。

（2）硬质合金

硬质合金是目前切削高温合金的常用材料，一般选用YG类硬质合金如YG6、YG8等进行粗车，选用，YW2，YA6等进行精车，但这些刀具材料在切削高温合金时效率低、耐用度不高。

选用813硬质合金加工铁镍基高温合金如GH33时，效果尚可，耐用度较高，工件表面粗糙度也较低；选用W4硬质合金加工铸造铁镍基高温合金如K14，效果较好；此外，623、104~,、YGDH等硬质合金也可用于切削高温合金。

加工高温合金一般不采用YT类硬质合金，虽然它的硬度和耐磨性很高，扩散温度高于YG类硬质合金，但YT类硬质合金抗弯强度低，成分中含有碳化钛，在高温下易引起扩散磨损。

用YT类硬质合金切削高温合金时，易发生刀具材料内部应力集中和裂纹扩大，使刀刃崩落。

此外，碳化钛在镍中溶解度大，使高温合金性能发生变化。

用硬质合金刀具对高温合金进行断续切削是困难的，切屑和硬质合金容易粘焊，当粘焊的切屑所粘附的颗粒脱落时，会使车刀的前面或后尽量选用红硬性高