高溫合金彈簧機械加工論文

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1問題的提出

在航空航天領域中，彈簧應用非常廣泛，能夠提供彈力，儲存彈性勢能，實現其動能的互相轉換、減震、施力。XXX彈簧是XXX膜盒組件中重要零件。XXX膜盒組件為某型號燃油調節器的重要的性能成附件，用來感受壓氣機出口壓力變化輸出位移直接作用于計量活門，改變計量活門開度從而控制流量。其性能和質量的好壞直接影響整個燃調的性能。某型航空高溫合金類彈簧是我公司首例通過機械加工的辦法制造的彈簧。以往彈簧的加工一般是由鋼絲纏繞而成，但由于此型航空附件對于該彈簧的裝配要求較高、力學性能較嚴，于是嘗試用機械加工的方法制造該彈簧。①零件總圈數4圈，有效圈數3圈;寬度為3.3的螺旋首尾段圓弧圓心與原點連線在基準面投影夾角為15°，螺旋線導程6.8±0.05mm。②從自由長度壓縮彈簧至34.3尺寸10次，自由長度應在圖紙要求范圍內。③修磨外徑保證彈簧剛度K=（100±5）N/mm。(剛度每偏大1N/mm,外徑尺寸修磨0.13mm。)④彈簧力工作區間為100N≤P≤400N。(K值在此范圍內保證)

2問題的分析與解決

根據設計圖的尺寸、形狀、零件材料等要求，嘗試通過以下三個方面解決加工問題。

2.1零件加工工藝的編制

通過分析零件設計圖，零件下料為Φ45mm的棒料，長度選取280mm，可以加工5件。由于零件的外圓、孔、槽等多處需要加工，并考慮加工成本，我們選用了帶動力頭裝置的車銑復合中心來試加工。車銑復合加工設備的出現為提高航空零件的加工精度和效率提供了一種有效解決方案。編制工藝，考慮車基準面、外圓、鏜孔、銑槽在一臺車銑復合加工中心加工能夠實現。制定的工藝路線為：下料→粗鉆孔→車基準面、外圓、鏜孔、銑槽→去外圓毛刺→車另一端面→磨內孔→去內孔毛刺→檢驗→熱處理→測剛度。零件的加工難度在車基準面、外圓、鏜孔、銑槽→車另一端面。主要是刀具的選擇。

2.2刀具的選擇及加工參數

機械加工中一般的零件材料為低合金鋼、奧氏體不銹鋼、灰口球墨鑄鐵、鋁、耐熱合金、淬火鋼，而該零件材料GH4169是鎳鉻鈦鈮鉬合金，GH4169屬高溫合金，含有多種高熔點合金元素和其他元素，構成了純度高、組織致密的奧氏體固熔合金。該材料導熱系數很低（與45鋼相比，相差甚遠），不利于熱平衡，因而影響刀具的耐用度。由于材料中存在大量碳化物、氮化物、硼化物以及金屬間化合物，隨著加工時零件溫度的不斷升高，其硬度也會有所上升。高溫合金材料的這一特性主要表現在加工硬化現象十分嚴重，切削力大，比一般鋼材大2～3倍，隨著切削溫度的升高，刀具磨損明顯。選擇加工的刀具和切削加工參數是十分重要的問題。針對高溫合金加工的特點，和加工零件的精度要求，加工主要包含外圓車刀、鉆頭和銑刀三種刀具，表1進行一一選擇和介紹：15°螺旋槽具體加工方法：為保證螺旋首尾段圓弧圓心與原點連線在基準面投影夾角為15°，利用UG繪制三維立體圖，在立體圖上取刀具初始點和結束點的坐標，用車銑復合加工中心編制程序，銑削彈簧寬2.3mm的螺旋槽。由于高溫合金材料特性導致的刀具磨損快、切削困難等問題的出現，通過反復調試加工，最終確定了加工參數及步驟，即：銑槽時，先用標準長度Φ2.3帶TiAlN涂層硬質合金立銑刀銑槽，標準長度立銑刀的刃長短、剛性比較好，可有效節省刀具的使用；銑削到深度3.5mm時，改用加長帶TiAlN涂層硬質合金立銑刀加工；機床轉速調至4000r/min，可將刀具的損耗降至最低，同時彈簧的表面質量及尺寸更好。通過對高溫合金彈簧的加工總結出：無論是鉆削還是鏜削，機床運動精度及工藝系統剛性應盡量高，選用小巨人QTN200M/500。刀具的裝夾選用高精度的刀柄夾頭，精密強力夾頭。切削用量要選擇合理，一是通過切削用量控制切屑形狀方便排屑；二是注意刀具壽命滿足孔加工長度要求。粗鉆孔時采用外冷方式時，為改善冷卻和排屑效果，采用間隙進給方式，即每鉆0.5mm深度立即退刀，以防止鉆刃空轉與孔底反復擠壓摩擦而增加高溫合金材料的加工硬化層厚度，鉆尖要全部退出，其目的是對鉆頭及零件孔內進行冷卻，提高切削液冷卻效果，改善排屑條件。粗鏜時可采用變切深切削方法，能減少刀具的邊界磨損，延長刀具壽命，保證零件的粗糙度要求。

2.3定位夾具

彈簧右端加工完成后，需掉頭加工鏜孔、切斷面。由于零件已經開槽，裝夾時的夾緊力使得零件變形明顯，嚴重影響加工精度；同時，用軟三爪裝夾不緊，加工時零件會顫動。于是我們自制裝夾襯套，如圖4所示，用襯套裝夾零件外圓加工，襯套設計圖中圓周三等分120°的開槽，使之裝夾零件受力均勻，開槽后裝夾使其內孔和零件外圓能緊密貼合，零件裝夾緊固可靠，不會引起顫動。其中一槽開口，有利于裝夾拆卸零件，從而有效解決了零件的變形等問題。

2.4機加毛刺的去除

由于材料偏軟而加工過程中的冷作硬化的原因，銑槽后孔內毛刺特別大，鉗工無法直接去除毛刺。工藝上增加內孔磨床磨削內孔去除較大毛刺，然后再用旋轉銼去除棱邊毛刺倒角。高溫合金的磨削也比較困難，主要表現在砂輪易粘附堵塞、磨削力大、磨削溫度高、工件表面易燒傷等方面。通過嘗試多種磨削參數，最終我們采用0.02mm的進給量加工，并充分冷卻零件、勤修砂輪，保證了設計圖紙的尺寸精度、粗糙度要求。

3結論

經過多次調整加工參數，反復試驗，最終零件在熱處理后進行剛度的測量，從自由長度壓縮彈簧至34.3尺寸10次，自由長度應在圖紙要求范圍內，保證了彈簧剛度K=（100±5）N/mm。雖然設計圖要求剛度每偏大1N/mm,外徑尺寸修磨0.13mm，但由于機械加工時公差尺寸控制嚴格，加工三批次均保證了彈簧剛度100%合格，不需要修磨外圓就保證了剛度要求，加工效果良好。達到了有效控制零件變形的目的，保證了設計要求的各項尺寸、形位公差、力學性能等。

作者:呂紅梅張喆周立波李歡單位:北京航科發動機控制系統科技有限公司